автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Теплопроводность клееного бруса, используемого в деревянном домостроении

На правах рукописи

■ЩЬ

ЗАЙЦЕВА Ксения Владимировна

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КЛЕЕНОГО БРУСА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ДЕРЕВЯННОМ ДОМОСТРОЕНИИ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

003463441

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет» (КГТУ)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Титунин Андрей Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Рыкунин Станислав Николаевич

- кандидат технических наук Крюков Николай Иванович

Ведущая организация - Санкт-Петербургская Государственная Ле-

сотехническая академия им. С.М. Кирова

Защита диссертации состоится « 3 » Qflp£A&- 200 ffr., в JQ час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, Московская обл., Мытищи-5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ

Автореферат разослан «J » ЯШЮгШ. 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние российского рынка материалов из древесины характеризуется возросшей потребностью в клееном профилированном брусе. Получаемый склеиванием отдельных ламелей такой брус давно известен и очень популярен за рубежом. В России его применение пока еще не соответствует своим потенциальным возможностям. Поэтому наращивание объемов производства клееного бруса является одной из основных задач, связанных с реализацией Федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины» и «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

Как показал анализ состояния вопроса, существует ряд особенностей проектирования и производства клееного бруса, без учета которых невозможно обеспечить требуемый уровень показателей его качества. Одним из основных требований, предъявляемым к ограждающим конструкциям, в том числе из клееного бруса, является обеспечение заданного температурного режима в здании.

По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций = 3,49 м2-°С/Вт. При его определении обычно используют рекомендации, приведенные в СНиП 23-03-2003, в частности -справочные данные о коэффициенте теплопроводности X. Необходимо отметить, что в нормах для материалов из древесины приведены данные для сосны, дуба, фанеры и плитных материалов, в то время как данные о величине коэффициента теплопроводности и термического сопротивления для клееного профилированного бруса отсутствуют. Отличием клееного бруса от указанных материалов является то, что он получается в результате склеивания ламелей, различающихся по количеству и размерам сучков. Ввиду отличий по плотности и направлению волокон, сучки обладают более высокой теплопроводностью. Следовательно, ошибка при проектировании ограждающих конструкций из клееного бруса может привести к увеличению затрат на отопление. На сколько велико отличие теплопроводности клееного бруса от цельной древесины можно судить по результатам экспериментальных исследований.

На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Одни из них требуют применения довольно сложного лабораторного оборудования, другие предусматривают определение коэффициента теплопроводности только для малого «чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру.

В связи с вышеизложенным, обоснование и разработка методики определения теплопроводности клееного бруса с учетом его внутренней сучковатости имеют важное значение в решении вопросов проектирования,.1 конструкционных параметров и совершенствовании технологии произвол—

ства клееного бруса для деревянного домостроения, а также обеспечению населения России доступным и комфортным жильем.

Цель работы и задачи исследований - обеспечение требований теплозащиты ограждающих конструкций деревянных домов путем определения коэффициента теплопроводности клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.

Данная цель соответствует паспорту специальности 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки», а именно п. 1 «Исследование свойств и строения древесины»; программным задачам, определенным Правительством РФ в сфере углубленной переработки древесины и жилищного строительства. Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

- выполнить теоретическое обоснование влияния сучковатости внутренних и наружных слоев клееного бруса на коэффициент теплопроводности;

- разработать математическую модель, отражающую влияние диаметра и количество сучков в ламелях на теплопроводность клееного бруса;

- обосновать интервал возможных значений коэффициента теплопроводности для наиболее распространенных вариантов конструктивного исполнения клееного бруса, используемого при строительстве домов в средней климатической зоне РФ;

- провести всесторонний анализ существующих и разработать усовершенствованный метод определения коэффициента теплопроводности;

- разработать и создать экспериментальную установку для исследования закономерностей теплопроводности клееного бруса, позволяющую определять осредненное значение коэффициента теплопроводности с учетом сучковатости ламелей;

- провести комплекс экспериментальных исследований по отработке методики определения коэффициента теплопроводности клееного бруса;

- разработать рекомендации по снижению трудоемкости проведения опытов и обеспечению требуемой точности результатов опытов;

- экспериментально обосновать значения коэффициента теплопроводности клееного бруса и дать оценку сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- разработать рекомендации по совершенствованию существующей технологии производства клееного бруса с учетом требований теплозащиты;

- обосновать экономическую эффективность результатов выполненных исследований.

Объектом исследований является деревянный клееный брус как перспективный материал для домостроения.

Предмет исследовании - теплопроводность клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.

Научная новизна работы. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты, обладающие определенной научной новизной:

1. Методика определения теплопроводности клееного бруса, позволяющая учесть его внутреннюю сучковатость;

2. Математическая модель, отражающая закономерность изменения коэффициента теплопроводности клееного бруса в зависимости от количества и диаметра сучков в наружных и внутренних ламелях;

3. Лабораторный комплекс и программное обеспечение для автоматизации исследований параметров теплопроводности клееного бруса. В основу программного обеспечения при этом положены выведенные в ходе исследований математические зависимости;

4. Теоретическое обоснование интервала возможных значений коэффициента теплопроводности клееного бруса, используемого при строительстве домов в средней климатической зоне России.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты работы:

1. математическая модель, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от внутренней сучковатости клееного бруса;

2. методика исследования теплопроводности клееного бруса;

3. результаты экспериментальных исследований теплопроводности клееного бруса;

4. параметры ограждающих конструкций домов из клееного бруса, отвечающих требованиям теплозащиты;

5. рекомендации по усовершенствованию технологии производства клееного бруса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов дисперсионного анализа, использованием фундаментальных положений теории анизотропии и теплопроводности древесины; применением методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем, использованием для обработки результатов исследований пакета прикладных программ Microsoft Excel. Значимость для теории и практики. Для теории имеют значение:

- методика определения теплопроводности клееного бруса;

- теоретические зависимости коэффициента теплопроводности клееного бруса от количества и диаметра сучков в ламелях;

Для практики имеют значения:

- значения поправочного коэффициента для перевода экспериментальных значений коэффициента теплопроводности в расчетные;

F

- рекомендации по автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности, включающие принципиальную схему лабораторного комплекса, алгоритм, программное обеспечение и режимы проведения экспериментов;

- параметры ограждающих конструкций домов из клееного бруса, соответствующие современным требованиям теплозащиты;

- варианты организации технологического процесса производства клееного бруса.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию БГИТА (Брянск, БГИТА, 2006 г.); научно-технической конференции Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург, УГЛТУ, 2006 г.), международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, БГИТА, 2007-2008 г.г.); IV международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, ВоГТУ, 2007 г.); международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г.г.); семинаре «Продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев» (Москва, МГУЛ, 2008 г.).

Основные результаты отражены в госбюджетной НИР (№ гос. per. 0 120.0.8 00137, 2006 г.), переданы для внедрения в ООО «Стройсервис МД» г. Кострома, ООО «Костромалеспроект» и используются в учебном процессе в Костромском государственном технологическом университете в преподавании дисциплин «Древесиноведение», «Основы строительного дела», «Комплексное использование древесины», а также в ходе научно-исследовательский работ и при дипломном проектировании.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору кафедры теплотехники МГУЛеса Семенову Ю.П. за ряд практических советов и рекомендаций, полученных в процессе работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Общий объем статей составляет 2,5 п.л.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 132 страницы, 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы - 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение отражены актуальность темы, цель и задачи исследований. Приведены основные научные положения, выносимые на защиту, и общая характеристика работы.

В первой главе исследованы вопросы, связанные с состоянием и перспективами развития деревянного домостроения.

Современное состояние жилищного фонда в России по ряду показателей значительно уступает мировым требованиям. Для удовлетворения потребности населения России в жилье, жилищный фонд страны надо увеличить почти на 50%. Из представленного анализа существующих материалов, их стоимости и технологий возведения из них домов, следует вывод, что в перспективе ожидается увеличение спроса на такой вид конструкционных материалов для малоэтажного деревянного домостроения, как клееный брус. В этой связи работы, направленные на обеспечение возрастающих требований к эксплуатационным показателям конструктивных элементов, имеют большое значение и являются актуальными, т.к. непосредственно связаны с реализацией в России важных национальных проектов, таких как «Развитие производств по глубокой переработке древесины» и «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

При разработке конструктивных параметров клееного бруса необходимо учитывать требования к тепловой защите зданий с целью обеспечения установленного для проживания и деятельности людей микроклимата в здании, необходимой надежности и долговечности конструкций, климатических условий работы технического оборудования при минимальном расходе тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период. По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение коэффициента сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Ro = 3,49 м2-°С/Вт. При его определении обычно используются справочные данные о коэффициенте теплопроводности X. Необходимо отметить, что в нормах для материалов из древесины приведены данные для сосны, дуба, фанеры и плитных материалов, в то время как данные о величине коэффициента теплопроводности и термического сопротивления для такого перспективного материала, как клееного профилированного бруса отсутствуют. Клееный профилированный брус представляет собой сложную конструкцию из сравнительно толстых отрезков древесины с продольными и поперечными клеевыми швами, с чередующимся расположением годичных слоев в смежных ламе-лях и большей, по сравнению с обычной древесиной, анизотропностью.

Вопросами теплопроводности занимались Фурье Ж., Пуассон С., И. Г. Петровский, А. Н. Тихонов, С. JI. Соболев, Кречетов И.В., Чудинов Б.С., Шубин Г.С., Ловецкий В. П., Щедрина Э.Б., Серговский П.С. В этих работах установлены общие закономерности теплопроводности и доказана зависимость коэффициента теплопроводности древесины от породы, плотности, направления волокон и других факторов. Проведенный анализ существующих методов определения теплопроводности показал, что наиболее распространенными являются методы, основанные на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700 °С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами. Вторая группа методов позволяет проводить

эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах. Кроме того, известные методы определения коэффициента теплопроводности основаны на применении довольно сложного лабораторного оборудования и коэффициент теплопроводности может быть определен только для малого «чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру. Поэтому в работе поставлена задача исследования теплотехнических свойств клееного бруса с учетом особенностей его макроструктуры, а именно - внутренней сучковатости.

Во второй главе рассматриваются вопросы сортности клееного бруса. Показано, что сучки являются одним из основных сортообразующих пороков, допускаемых в ламелях. Исследованием сучковатости занималась многие российские ученые: Полубояринов О.И., Кроткевич П.Г., Абутков Б.В., Гончаренко H.A., Пилинович В.А., Степаков Г.А., Мошкалев А.Г. и др. Основываясь на результатах этих работ, была предложена расчетная схема расположения сучков в клееном брусе (рис. 1).

Рис. 1. Схема для обоснования расположения сучков в ламелях: а - угол наклона сучков в пиломатериалах, получаемых при раскрое бревна: 1,2- ламели, используемые при производстве клееного бруса; б - выход сучков на пласть

Так как для производства бруса используют ламели трех сортов в зависимости от количества и размеров сучков, то для определения влияния сучковатости ламелей на коэффициент теплопроводности всего бруса, были проведены натурных измерения пиломатериалов на ООО «ТехВуд», г. Кострома. В ходе паспортизации пиломатериалов и обработки полученных результатов были установлены основные закономерности распределения среднего диаметра и количества сучков в ламелях в зависимости от их сорта.

Используя справочные данные и закономерности изменения коэффициенте теплопроводности в зависимости от влажности и температуры древесины, направления волокон, была разработана математическая модель для расчета коэффициента теплопроводности X, Вт/(м-°С) клееного

бруса, учитывающая диаметр и количество сучков в ламелях, а также число ламелей:

где Лс, Хдр - теплопроводность соответственно сучковой и бессучковой древесины, Вт/(м-0С); ш - количество сучков в одной ламели, шт.; п -количество ламелей в брусе, шт.; размеры бруса, м; Ь - толщина

одной ламели, м; с1ср - средний диаметр сучков, м.

В ходе вычислительного эксперимента с использованием разработанной модели были рассчитаны коэффициенты теплопроводности при разных диаметрах сучков и их встречаемости на 1 метре длины. Результаты этого эксперимента представлены в виде графика, из которого следует, что значение коэффициента теплопроводности зависит от диметра и числа сучков, и находится в интервале от 0,184 до 0,229 Вт/м-°С.

Количество сучков на 1 пог.м длины, шт

Рис. 2. Диаграмма влияния диаметра и количества сучков на коэффициент теплопроводности древесины

В третьей главе представлены методика и лабораторный комплекс для определения коэффициента теплопроводности клееного бруса.

С учетом недостатков существующих методов были сформулированы требования к новому методу определения теплопроводности. На основании этих требований, на кафедре механической технологии древесины КГТУ в 2005-2006 г.г. была разработана экспериментальная установка для определения теплопроводности клееного бруса, схема которой приведена на рис. 3. Разработанное устройство может быть легко изготовлено из набора типовых деталей, не требует большой трудоемкости подготовки образцов и специальной подготовки персонала.

Коэффициент теплопроводности клееного бруса 5 вычисляется по значению перепада температур нагревательного элемента 4 и датчиков 3, установленных с натягом в предварительно просверленных отверстиях, а также мощности нагревателя в стационарном режиме по формуле

б-1п (Иг)

1 =

(2)

2яЦ*,-/2)'

где X - коэффициент теплопроводности испытуемого материала, Вт/(м-0С); <3 - мощность нагревательного элемента, Вт; Ь - длина нагревательного элемента, м; г - радиус нагревательного элемента, м; 1 - расстояние от середины элемента до места установки термосопротивления, м; ^ и г2 - соответственно температура нагревательного элемента и термометра-сопротивления, °С.

А-А

Б1_

К'л'й 1"

ШШ

188888$!

Б-Б г 4 ; КХХЧХХЛ ...../ • 7 " • • ! п 5 б кХХХХ^Я

]б

-220В

Ж к*>:

м

Рис. 3. Принципиальная схема установки: 1- регулятор мощности; 2 - персональный компьютер; 3 - термометр сопротивления ТСП-100; 4 - нагревательный элемент \¥<100 Вт; 5 - клееный брус; 6 - теплоизоляционный слой; 7 - измеритель УКТ-38.Щ-4ТС

Экспериментальные значения X, полученные при различных температурах, пересчитываются на стандартную температуру среды 20 °С и влажность 10%. Для этого на основе ранее выполненных исследований была составлена справочная таблица для переводного коэффициента К(.

Для автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности был разработан автоматический комплекс. Разработанная система автоматически стабилизирует мощность нагрузки, а также позволяет упростить процесс контроля за выходом установки в стационарный режим. Наступление стационарного режима определяется по графику изменения температуры датчиков (рис. 4). Момент времени, когда все графики при-

мут вид горизонтальных линий, интерпретируется как наступление стационарного режима.

При расчете коэффициента теплопроводности древесины использовалась программа, которая в соответствии с температурой всех датчиков, параметров нагревателя, влажности древесины автоматически рассчитывает средний коэффициент с поправкой на 20 °С. Схема алгоритма приведена на рис. 5. Информация, получаемая в ходе эксперимента, выводится на экран монитора (рис. 4).

ГЛоТ?!

Ы'ЕЖМШЯ

и Пркоетр; рхмт«"; «; Гр»»*|; . • •

ПоТЗП

Рис. 4. Интерфейс программы по расчету коэффициента теплопроводности

вычисление коэффициента

тепплопроводности для каждого датчика в брусе

вычисление средней температуры для каждого датчика 6 Брусе

вычисление поправки с учетом влажности бруса и средней температуры

пересчет каждого коэффициента с учетом поправки на 20°С

вычисление среднего коэффициента теплопроводности

Рис. 5. Схема алгоритма расчета коэффициента теплопроводности

Для вычисления поправки по пункту 3 (рис. 5) использовалась зависимость, полученная по диаграмме Чудинова Б.С.

//

Хбер = 0,00497 V/ + 0,000217 Т + 0,1426,

(3)

где V/, Т - соответственно влажность, % и температура древесины,°С.

При вычислении коэффициента теплопроводности клееного бруса был использован коэффициент, учитывающий плотность древесины

Кр =4,7652 -рг -2,7287- р + 1,188, (4)

где р - плотность древесины, кг/м3.

Так же были обоснованы основные режимы процесса определения коэффициента теплопроводности: стандартная длина ТЭНа 0,24 м и 0,6 м, максимальная температура нагревательного элемента 100 °С, а датчика -от 30 до 60 °С (соответственно для пятислойного и трехслойного бруса). Продолжительность эксперимента при данных условиях составит до 8 часов. Принимая температуру среды (воздуха) равной 20 °С, а на поверхности бруса - 25 °С, то коэффициент конвективной теплоотдачи а = 6,78 Вт/м2-°С.

При полученных режимах проведения экспериментов мощность нагревательного элемента в брусе с коэффициентом теплопроводности 0,18— 0,23 Вт/м'°С будет варьироваться в интервале от 6,5 до 25,35 Вт.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований теплопроводности клееного бруса, которые обрабатывались в соответствии с методикой дисперсионного анализа.

На первом этапе проводилось тестирование предлагаемой установки на эталонном материале, в качестве которого был выбран гипс с плотностью 1200 кг/мэ, коэффициент теплопроводности которого по СНиП 2302-2003 равен 0,47 Вт/(м-°С). Коэффициент теплопроводности, определенный экспериментальным путем оказался равен 0,457±0,0061 Вт/(м-°С), что несколько ниже справочных данных. При этом абсолютное отклонение составляет 0,013 Вт/(м-°С), относительное - 2,7 %. Это позволило сделать вывод о возможности использования установки для определения коэффициента теплопроводности других материалов, в частности клееного бруса.

Также были проведены исследования для определения необходимого числа дублированных опытов. Рекомендуемое число дублированных опытов п = 4. Поэтому в дальнейших опытах при определении теплопроводности датчики устанавливались следующим образом: в одном брусе по два датчика, либо в двух одинаковых брусьях по одному датчику симметрично по обе стороны от нагревательного элемента.

Далее были проведены экспериментальные исследования теплопроводности трехслойного клееного бруса для определения допустимого интервала значений мощности нагревательного элемента (фактор А). По ре-

зультатам экспериментов в таблице 1 сформированы исходные массивы значений коэффициента теплопроводности для двух уровней варьируемого фактора. Так же в таблице подсчитаны средние арифметические У/, и дисперсии Б;2 выходной величины (коэффициента теплопроводности) на каждом уровне фактора А.

Таблица 1

№ шыта Уровни фактора А Значения выходной величины У у Среднее арифметическое уровня Ю Дисперсия уровня

Натуральное обозначение Кодированное обозначение

1 М = 8 Вт А, 0,238; 0,239; 0,192; 0,191 0,215 0,00074

М= 10 Вт а2 0,202; 0,217; 0,19; 0,196 0,201 0,00014

2 М= 18,75 Вт А, 0,195; 0,189; 0,199; 0,186 0,192 0,0000367

М = 25 Вт а2 0,192; 0,186; 0,199; 0,187 0,191 0,0000363

После обработки представленных данных был сделан вывод о том, что мощность нагревательного элемента в исследуемом интервале не оказывает влияние на результат определения коэффициента теплопроводности древесины. Тем самым подтверждены результаты теоретически обоснованных условий проведения опытов.

В связи в выдвинутой гипотезой о влиянии сучковатости и числа ла-мелей (фактор В) на теплопроводности клееного бруса была проведена вторая серия экспериментальных исследований на трехслойном и пяти-слойном брусе (соответственно с одной и тремя внутренними ламелями). В ходе исследований и обработки результатов опытов (табл. 2) в соответствии с методикой однофакторного дисперсионного анализа было установлено, что количество слоев значимо влияет на величину коэффициента теплопроводности клееного бруса.

Таблица 2

Экспериментальные исследования зависимости _теплопроводности от числа ламелей__

№ опыта Уровни фактора В Значения выходной величины Уу Среднее арифметическое уровня У1 Дисперсия уровня Б!2

Натуральное обозначение Кодированное обозначение

1 1 В, 0,219; 0,213; 0,213; 0,221; 0,208; 0,215; 0,217; 0,213; 0,213; 0,221; 0,197; 0,198 0,212 0,0000622

3 в2 0,223; 0,22; 0,227; 0,227; 0,212; 0,209; 0,219; 0,207; 0,216; 0,217; 0,23; 0,23 0,219 0,0000624

2 1 в, 0,201; 0,21; 0,196; 0,204; 0,202; 0,203; 0,176; 0,179 0,196 0,000151

3 В2 0,22; 0,219; 0,217; 0,214; 0,208; 0,208; 0,2; 0,206 0,212 0,0000503

Во второй серии опытов был также определен коэффициент теплопроводности трехслойного и пятислойного деревянного клееного бруса, рекомендуемый для проектирования теплозащиты зданий с учетом современных требований. Опыты проводились на специально склеенных образцах бруса.

После обработки результатов опытов коэффициент теплопроводности трехслойного бруса составил X = 0,218 ± 0,014 Вт/(м-°С), пятислойного -X = 0,228 ± 0,008 Вт/(м-°С), т.е. несколько выше, как и было доказано в ходе теоретических исследований. Таким образом, с учетом возможной допустимой ошибки значение коэффициента теплопроводности трехслойного бруса будет находиться в интервале от 0,204 до 0,232 Вт/(м-°С), пятислойного - от 0,22 до 0,236 Вт/(м-°С).

Полученные в результате опытов данные о коэффициенте теплопроводности, определенные во второй серии опытов, отличаются лишь количеством ламелей, через которые проходит тепловой поток. Для получения расчетного значения коэффициента теплопроводности клееного бруса требуется ввести поправочный коэффициент, учитывающий число ламелей, через которые проходит тепловой поток в реальных конструкциях. Для расчета поправочного коэффициента использовались значения коэффициента X, Вт/(м-°С) определенные при прохождении тепловым потоком двух ламелей бруса 0,204, трех ламелей - 0,216, а также значения коэффициента X для трехслойного бруса 0,218, пятислойного - 0,228. Поэтому переводной коэффициент для трехслойного бруса равен 1,068, для пятислойного -1,055.

О значимости влияния сучков на коэффициент теплопроводности можно судить также по результатам экспериментальных исследований динамики температурного поля по ширине клееного бруса. Как видно из рис. 6, температурное поле в ходе эксперимента является несимметричным по ширине бруса. Это объясняется тем, что в отличие от предыдущих опытов, в которых использовался брус с ламелями одинакового качества, в данном экспериментальном исследовании склеиваемые ламели, расположенные по разные стороны от оси симметрии бруса сечением 165x200 мм, отличались друг от друга по количеству и размерам сучков. В ламелях расположенных

100 90 80

О

70

о.

£ во

I 50

ЭГ

3

40 30 20

-100,0 -50,0 0,0 50,0

ширина бруса, мм

100,0

Рис. 6. Поле температур по ширине бруса в различные моменты времени: 1 - 1 час, 2-2 часа, 3-3 часа, 4-4 часа, 5-5 часов, 6-6 часов

слева от нагревательного элемента размер и количество сучков было больше чем в ламелях, расположенных справа. О чем свидетельствует более интенсивное изменение температурного поля.

Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты определения коэффициента теплопроводности были проверены на сходимость со значениями, вычисленными по математической модели (ф. 1). Абсолютные и относительные отклонения результатов представлены в таблице 3.

Таблица 3

Проверка сходимости теоретических и экспериментальных данных

Слойяость бруса Значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м'°С) Отклонение экспериментальных данных

экспериментальное для бессучковой древесины (справочное) теоретическое (по ф.1) от справочных от теоретических

абсолют., Вт/(м-°С) относ., % абсолют., Вт/(м-°С) относ., %

3 0,218 0,18 0,224 0,038 21,1 -0,006 2,7

5 0,228 0,232 0,048 26,6 -0,004 1,7

Как следует из приведенных данных, расхождение не превышает допустимых значений. Тем самым подтверждена корректность принятых допущений и самой математической модели. Кроме того, экспериментально доказана необходимость учета влияния внутренней сучковатости на теплопроводность клееного бруса и некорректное использование справочных данных по сосне при расчетах параметров ограждающих конструкций (экспериментальное значение коэффициента X выше справочного на 21,1 и 26,6 %).

В пятой главе с учетом результатов исследований предложены схемы сборки трех- и пятислойного бруса. При этом за счет замены одной из наружных ламелей на менее качественную обосновано снижение потребности в высококачественных пиломатериалах. Незначительное повышение теплопроводности бруса не приведет к удорожанию ограждающей конструкции.

Так же представлено экономическое обоснование эффективности результатов экспериментальных исследований. Для типового варианта деревянного дома площадью 146,56 м2 проведены расчеты по определению расхода тепловой энергии на отопление здания, несущие стены которого сделаны из клееного бруса, спроектированного по значениям X из СНиП 23-02-2003. С учетом того, что фактическая теплопроводность клееного бруса оказалась выше справочного значения на 0,038 Вт/(м-°С), имеет место повышенный расход тепловой энергии для поддержания необходимого температурного режима в здании. Разница в удельном расходе тепловой энергии составит 21,71 кДж/(м2-°С-сут). С учетом уровня цен на энергоносители в 2008 г. экономия средств на отопление дома, спроектированного с

учетом полученных значений коэффициента теплопроводности, составит 2695,84 руб./год или 17,42 % в год от расходов на отопление дома общей площадью 146,56 м2. Тем самым обоснована необходимость учета влияния внутренней сучковатости ламелей на величину коэффициента теплопроводности клееного бруса.

Так же с учетом определенного значения коэффициента теплопроводности обосновано увеличение толщины слоя утеплителя. Повышение стоимости конструкции будет компенсировано снижением расходов на отопление в течение всего срока службы здания, при этом единовременные затраты окупятся уже через два года. Для рассмотренного варианта дома экономический эффект от применения результатов экспериментальных исследований составит около 49,5 тыс. руб. с учетом единовременных затрат на установку утеплителя и роста цен на энергоносители.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Обеспечение требуемых эксплуатационных показателей клееного бруса в связи с увеличением спроса на него является важной задачей, непосредственно связанной с реализацией Федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины», а также «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

2. Применение значений коэффициента теплопроводности, приведенного в СНиП 23-02-2003 для фанеры и цельной древесины, является не вполне оправданным для клееного бруса, т.к. в нем присутствуют различные по диаметру и количеству сучки, которые ввиду отличий от цельной древесины по плотности и направлению волокон являются участками с повышенной теплопроводностью.

3. Существующие способы определения коэффициента теплопроводности обладают рядом недостатков, затрудняющих их использование для клееного бруса. Разработанное новое устройство и методика определения коэффициента теплопроводности клееного бруса обеспечивает снижение трудозатрат на подготовку образцов, а также требуемую точность результатов опытов. Автоматизированный лабораторный комплекс рекомендуется к использованию при определении коэффициента X, как новых видов бруса, так и в эксплуатируемых зданиях. При этом показатель точности определения коэффициента теплопроводности не превышает 2 %.

4. Для оценки влияния сучков в ламелях на коэффициент теплопроводности клееного бруса рекомендуется использовать разработанную математическую модель (формула 1). Относительное отклонение экспериментально определенного коэффициента 1 от рассчитанного по формуле (1) не превышает 2,7 %, что подтверждает корректность математической модели и принятых допущений.

5. При определении коэффициента теплопроводности клееного бруса необходимыми условиями проведения опытов являются: мощность нагревательного элемента для создания стационарного теплового потока от 10

до 20Вт; время проведения опытов в среднем 6-8 часов, установка датчиков симметрично нагревательному элементу по две штуки в крайних ламе-лях.

6. Интервал значений коэффициента теплопроводности, рассчитанный теоретически по формуле (1) для бруса, склеенного из сосновых ламелей, при влажности древесины 10%, температуре 20°С составил 0,184 - 0,229 Вт/м-°С.

7. Экспериментально определены значения коэффициента теплопроводности для трехслойного клееного бруса сечением 120x150 мм при средней температуре среды 20 °С X = 0,218 ± 0,014 Вт/(м,0С); для пятислойного сечением 200x150 мм X = 0,228 ± 0,008 Вт/(м-0С), которые рекомендуются к использованию при проектировании ограждающих конструкций. Так же определены поправочные коэффициенты: для трехслойного бруса - 1,068; для пятислойного - 1,055.

8. Рекомендуемые схемы сборки трех- и пятислойного клееного бруса позволяют снизить расход высококачественных пиломатериалов на 22 % на 1 м3 готовой продукции.

9. Экспериментально доказанное повышение теплопроводности клееного бруса по сравнению с нормативным значением требует увеличения толщины слоя утеплителя. Повышение стоимости конструкции будет компенсировано снижением расходов на отопление в течение всего срока службы здания, при этом единовременные затраты окупятся уже через два года.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Титунин A.A. Теплопроводность деревянных клееных конструкций / A.A. Титунин, В.М. Каравайков, К.В. Сироткина // Строительные материалы. - 2007.-№ 10-С. 66-67.*

2. Зайцева К.В., Титунин A.A. Разработка методики определения эксплуатационных параметров клееного бруса // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2008. - № 6. - С. 67-71.*

3. Титунин A.A. Способ определения теплопроводности древесины / A.A. Титунин, Сироткина К.В. // Студенты и молодые ученые КГТУ -производству: Материалы 57-ой межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. - Кострома: Изд-во КГТУ, 2005. -С. 114-117.

4. Сироткина К.В. Определение теплопроводности древесины / К.В. Сироткина, A.A. Титунин // Сборник научно- исслед. Работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». - Кострома: Авантитул, 2005. - С. 104-108.

5. Сироткина К.В. Влияние макростроения древесины'на технологические режимы производства деревянных клееных конструкций // Ма-

териалы всероссийской научн.-техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. ун-т. г. Екатеринбург, 2005. - 295 с.

6. Титунин A.A. Определение коэффициента теплопроводности клееной древесины / A.A. Титунин, Ю.П. Данилов, В.П. Чулков, К.В. Си-роткина // Вестник Костромского государственного технологического университета, №11.- Кострома: КГТУ, 2005. - С. 114-117.

7. Сироткина К.В. Древесиноведческие и технологические аспекты производства деревянных клееных конструкции / К.В. Сироткина, A.A. Титунин // Научные труды молодых ученых КГТУ, выпуск 6. - Кострома: КГТУ, 2005. - Часть I (секции I-VIII). - С. 13 8-141.

8. Сироткина К.В. Экономическая эффективность применения клееного бруса с утеплителем / К.В. Сироткина, A.A. Титунин // Научные труды молодых ученых КГТУ. В 2ч. Часть 1 (Секции I - VII). - Кострома: КГТУ, 2006.-С. 161-163.

9. Титунин A.A. Эффективность применения клееного бруса с утеплителем / A.A. Титунин, К.В. Сироткина // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. научн. трудов по итогам международной научно-технич. конф-Брянск: БГИТА. 2006. - Выпуск 14. - С. 162-164.

10. Сироткина К.В. Экспериментальная установка для исследования кинетики теплопереноса материалов растительного происхождения // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. научн. труд, по итогам ме-ждунар. научн.-техн. конф. Под ред. Е.А. Памфилова. Брянск: БГИТА, 2006. Вып. 16.-С. 89-91.

11. Зайцева К.В. Решение задачи оптимизации параметров ресурсосберегающих ограждающих конструкций деревянных зданий / К.В. Зайцева, A.A. Титунин // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. научн. трудов по итогам международн. начно-технич. конф. / Под ред. Е.А. Памфилова. - Брянск : БГИТА, 2007. -Вып. 20. - С. 137-140.

12. Зайцева К.В. Разработка организационно-технических основ ресурсосберегающих технологий деревянного домостроения / К.В. Зайцева, A.A. Титунин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : материалы Междунар. научно-технич. конф./ Вологодский государственный технический университет. - Вологда: ВоГТУ, 2008. - С. 95-97.

* научная работа, опубликованная в ведущем рецензируемом журнале, определенном ВАК.

-¿Р

Зайцева Ксения Владимировна

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КЛЕЕНОГО БРУСА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ДЕРЕВЯННОМ ДОМОСТРОЕНИИ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.01.09. Формат бумаги 60x84 1/16. Печать трафаретная. Печ. л. 1,06. Заказ 46. Тираж 100 экз.

Костромской государственный технологический университет. Редакционно-издательский отдел. Кострома, ул. Дзержинского, 17. Тел. 31-15-21, e-mail: rio@kstu.edu.ru

Введение.

Глава I. Анализ состояния н перспективы применения клееной ^ древесины в строительстве.

1.1. Состояние и перспективы деревянного домостроения.

1.2. Особенности клееного бруса как конструкционного материала.

1.2.1. Анализ эксплуатационных показателей клееной древесины.

1.2.2. Классификация деревянного клееного бруса.

1.3. Современные требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций.

1.4. Общие теоретические сведения о теплопроводности древесины.

1.5. Анализ способов определения теплопроводности конструкционных материалов.

1.5.1. Определение теплопроводности, основанное на измерении стационарного теплового потока.

1.5.2. Определение теплопроводности, основанное на методах нестационарного потока тепла.

1.6. Выводы по состоянию вопроса.

1.7. Цель и задачи исследований.

Глава 2. Теоретическое обоснование влияния сучковатости ^ древесины на теплопроводность клееного бруса.

2.1. Анализ сучковатости древесного сырья для производства клееного бруса.

2.2. Математическая модель для расчета коэффициента теплопроводности клееного бруса с учетом размеров и количества сучков.

2.3. Оценка влияния диаметра и количества сучков на коэффициент теплопроводности клееного бруса.

2.3.1. Методика обработки данных.

2.3.2. Влияние диаметра сучков на теплопроводность клееного бруса.

2.3.3. Влияние количества сучков на теплопроводность клееного бруса.

2.3.4. Коэффициент теплопроводности бруса, содержащего «температурные мостики».

2.3.5. Вероятность образования «температурных мостиков» в клееном брусе.

2.4. Выводы по результатам теоретических исследований.

Глава 3. Разработка методики и лабораторного комплекса для ^ определения коэффициента теплопроводности.

3.1. Принципиальная схема установки.

3.2. Методика проведения исследований

3.2.1. Подготовка образцов и порядок проведения опытов

3.2.2. Выбор варьируемых факторов.

3.2.3. Порядок обработки экспериментальных данных.

3.3. Обоснование основных режимов процесса определения коэффициента теплопроводности.

3.4. Погрешность определения коэффициента теплопроводности.

3.5. Автоматизация процесса определения коэффициента теплопроводности древесины.

Глава 4. Экспериментальные исследования теплопроводностп.

4.1. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию режимов проведения опытов.

4.1.1. Проверка работы установки на эталонном материале. 92 4.1.2. Определение необходимого числа дублированных опытов.

4.1.3. Оценка влияния мощности нагревательного элемента на точность вычисления коэффициента теплопроводности.

4.2. Исследование влияния количества слоев на коэффициент теплопроводности.

4.2.1. Оценка влияния количества ламелей.

4.2.2. Определение коэффициента теплопроводности трехслойного и пятислойного бруса.

4.3. Рекомендации по определению теплопроводности клееного бруса при контроле качества готовой продукции.

4.4. Закономерности изменения температурного поля в клееном брусе.

4.5. Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.6. Выводы по результатам экспериментальных исследований.

Глава 5. Экономическая эффективность результатов ^ исследования.

5.1. Расчет возможного снижения затрат на отопление.

5.2. Расчет экономической эффективности результатов исследований.

Актуальность темы. Древесина является уникальным материалом, который используется во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве, где на ее долю приходится до 60% стоимости всех материалов. Особенностью современного состояния российского строительного рынка является увеличение объёмов промышленно-гражданского строительства. Масштабное увеличение спроса на строительные материалы из древесины, в том числе — получаемые в результате механической и механо-физической обработки, обусловлено требованиями повышенной комфортности, экологическими приоритетами, технико-экономическими преимуществами и другими факторами. Возросший интерес к материалам из древесиыы объясняется также наличием значительных сырьевых ресурсов, превосходством древесины перед традиционными материалами по ряду эксплуатационных показателей.

Интерес к деревянному домостроению связан с общей неудовлетворённостью населения России своими жилищными условиями. По официальным данным около 10% населения нуждается в улучшении жилищных условий, от 30 до 70% жилищного фонда требует капитального ремонта и реконструкции, а объём ветхого и аварийного жилья составляет сейчас около 100 млн м2. В этой связи ожидаемый рост потребления древесины для нужд строительства не вызывает сомнений. Основные задачи в этой сфере определены программными решениями Правительства Российской Федерации в части реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России». В частности отмечается, что за счет малоэтажного деревянного домостроения можно обеспечить примерно 70% объемов вводимого жилья. При этом значительную долю будут составлять дома, построенные из клееного бруса.

Как известно, одним из основных требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям, является обеспечение заданного температурного режима в здании. Минстрой России внес серьезные изменения в СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника», где в 2-6 раз увеличены требования к тепло-сопротивлению ограждающих конструкций зданий для сохранения тепла в помещениях. В соответствии с действующими нормами одним из основных показателей теплопроводности является сопротивление теплопередаче, которое в свою очередь зависит от коэффициента теплопроводности. По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение коэффициента сопротивления теплопередаче ограждающих

2 О конструкций 11^,= 3,49 м • С/Вт. При его определении обычно используют рекомендации, приведенные в СНиП П-3-79*, в частности — справочные данные о коэффициенте теплопроводности А,. Необходимо отметить, что в нормах для материалов из древесины приведены данные для сосны, дуба, фанеры и плитных материалов, в то время как данные о величине коэффициента ^ теплопроводности и термического сопротивления для клееного профилированного бруса отсутствуют.

Из работ отечественных и зарубежных ученых известно, что строительные конструкции из древесины необходимо рассматривать не как орто-тропное, а как трансверсальное тело. Поэтому задача по определению тепло- ^ проводности сводится к определению коэффициента теплопроводности всего лишь в двух направлениях: вдоль и поперек волокон. На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700 °С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами. Вторая группа методов позволяет проводить эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах. Кроме того, известные методы определения коэффициента теплопроводности основаны на применении довольно сложного лабораторного оборудования, либо коэффициент теплопроводности может быть определен только для «малого, чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру. Поэтому в работе поставлена задача исследования теплотехнических свойств деревянного клееного бруса с учетом особенностей его макроструктуры, а именно — внутренней сучковатости.

Цель работы и задачи исследований - обеспечение требований теплозащиты ограждающих конструкций из клееного бруса путем определения коэффициента теплопроводности с учетом внутренней сучковатости.

Данная цель соответствует паспорту специальности 05.21.05 - «Древесиноведение. Технология и оборудование деревообработки», а именно п. 1 «Исследование свойств и строения древесины»; программным задачам, определенным Правительством РФ в сфере углубленной переработки древесины и жилищного строительства. Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

- выполнить теоретическое обоснование влияния сучковатости внутренних и наружных слоев клееного бруса на коэффициент теплопроводности;

- разработать математическую модель, отражающую влияние диаметра и количество сучков в ламелях на теплопроводность клееного бруса;

- обосновать интервал возможных значений коэффициента теплопроводности для наиболее распространенного варианта конструктивного исполнения клееного бруса;

- провести всесторонний анализ существующих методов и разработать усовершенствованную методику определения коэффициента теплопроводности;

- разработать и создать экспериментальную установку для исследования закономерностей теплопроводности клееного бруса, позволяющую учитывать внутреннюю сучковатость ламелей;

- провести комплекс экспериментальных исследований по отработке методики определения коэффициента теплопроводности клееного бруса;

- разработать рекомендации по снижению трудоемкости проведения опытов и обеспечению требуемой точности результатов опытов;

- экспериментально обосновать значения коэффициента теплопроводности клееного бруса и дать оценку сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- обосновать экономическую эффективность результатов выполненных исследований.

Объектом исследований является деревянный клееный брус. Предмет исследований - теплопроводность клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.

Научная новизна работы. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты, обладающие определенной научной новизной:

1. Обоснована методика для определения теплопроводности образцов клееной древесины больших сечений.

2. Разработана математическая модель, отражающая закономерность изменения коэффициента теплопроводности клееного бруса в зависимости от количества и диаметра сучков в наружных и внутренних ламелях.

3. Разработан лабораторный комплекс и программное обеспечение для автоматизации исследований параметров теплопроводности клееного бруса. В основу программного обеспечения при этом положены выведенные в ходе исследований математические зависимости.

4. Выполнено теоретическое обоснование интервала возможных значений коэффициента теплопроводности клееного бруса.

5. Определены коэффициенты для перевода экспериментально определенных значений коэффициентов теплопроводности трех- и пятислойно-го бруса в расчетные.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты работы:

1. Математическая модель, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от внутренней сучковатости клееного бруса;

2. Методика исследования теплопроводности клееного бруса;

3. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности клееного бруса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов дисперсионного анализа, использованием фундаментальных положений теории анизотропии и теплопроводности древесины; применением методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем. Для сокращения затрат времени на однотипную обработку данных в работе использовался пакет прикладных программ Microsoft Excel. Значимость для теории и практики. Для теории имеют значение: методика определения теплопроводности клееного бруса; теоретические зависимости коэффициента теплопроводности клееного бруса от количества и диаметра сучков в ламелях;

Для практики имеют значения:

- значения поправочного коэффициента для перевода экспериментальных значений коэффициента теплопроводности в расчетные;

- рекомендации по автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности, включающие принципиальную схему лабораторного комплекса, алгоритм, программное обеспечение и режимы проведения экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции, посвященной 75летию БГИТА (Брянск, БГИТА, 2006 г.); научно-технической конференции Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург, УГЛТУ, 2006 г.), международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, БГИТА, 2007-2008 г.г.); IV международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, ВоГТУ, 2007 г.); международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г.г.); семинаре «Продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев» (Москва, МГУЛ, 2008 г.).

Основные результаты отражены в госбюджетной НИР (№ гос.рег. 0 120.0.8 00137, 2006 г.), переданы для внедрения в ООО «Стройсервис МД», г. Кострома, ООО «Костромалеспроект» и используются в учебном процессе в Костромском государственном технологическом университете в преподавании дисциплин «Древесиноведение», «Основы строительного дела», «Комплексное использование древесины», а также в ходе научно-исследовательский работ и при дипломном проектировании.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору * кафедры теплотехники МГУЛеса Семенову Ю.П. за ряд практических советов и рекомендаций, полученных в процессе работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Общий объем статей составляет 2,5 п.л.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 132 страницы, 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы - 103 наименования.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Обеспечение требуемых эксплуатационных показателей клееного бруса в связи с увеличением спроса на него является важной задачей, непосредственно связанной с реализацией Федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины», а также «Доступное и комфортное жилье — гражданам России».

2. Клееный профилированный брус обладает присущей древесине анизотропностью, наличием разных по диаметру и количеству сучков, которые образуют участки с повышенной теплопроводностью. Поэтому применение справочных значений коэффициента теплопроводности X, приведенных в СНиП 23-02—2003 для фанеры или цельной древесины и используемых для определения толщины ограждающих конструкций домов из клееного бруса, является не вполне оправданным.

3. Существующие способы определения коэффициента теплопроводности обладают рядом недостатков, затрудняющих их использование. Поэтому были разработаны новое устройство и методика определения коэффициента теплопроводности клееного бруса, обеспечивающие снижение трудозатрат на подготовку образцов, а также требуемую точность результатов опытов. Автоматизированный лабораторный комплекс рекомендуется к использованию при определении коэффициента X как новых видов бруса, так и в эксплуатируемых зданиях.

4. Разработана математическая модель, основанная на положениях теории теплопроводности и устанавливающая связь между коэффициентом теплопроводности клееного бруса, количеством и диаметром сучков в ламе-лях. Данная модель рекомендуется при определении параметров ограждающих конструкций из клееного бруса.

5. На практике при изготовлении клееного бруса для наружных слоев используются ламели, в которых встречаются по три сучка диаметром до 12 мм, на каждом погонном метре; во внутренних ламелях количество сучков доходит до семи штук диаметром до 55 мм на каждом погонном метре.

6. На коэффициент теплопроводности клееного бруса значимо влияют количество и диаметр сучков, при этом большее влияние оказывает количество сучков на каждом погонном метре длины ламели.

7. Для обеспечения требуемой точности определения коэффициента теплопроводности рекомендуется принимать число дублирующих опытов п = 4. При этом необходимо устанавливать в крайних ламелях бруса по два датчика.

8. В ходе экспериментальных исследований были определены основные режимы проведения опытов по определению коэффициента теплопроводности клееного бруса. При исследовании теплопроводности клееного бруса мощность нагревательного элемента рекомендуется устанавливать в интервале от 15 до 20 Вт. Увеличение мощности выше 20 Вт приводит к уменьшению влажности древесины вблизи нагревательного элемента и, следовательно, отрицательно влияет на достоверность полученного результата. Время проведения опытов зависит от размеров клееного бруса и составляет от 6 до 8 часов.

9. Количество слоев в брусе значимо влияет на результат определения коэффициента теплопроводности древесины. Это связано с тем, что брус изготавливается из ламелей разного сорта, следовательно, в нем встречаются различные сучки, по-разному влияющие на повышение коэффициента теплопроводности.

10. Определен интервал значений коэффициента теплопроводности для бруса, склеенного из сосновых ламелей, при влажности древесины 10%, температуре 20°С: от 0,184 до 0,23 Вт/м-°С, который рекомендуется к использованию при проектировании ограждающих конструкций из клееного бруса.

11. Для трехслойного клееного бруса сечением 120x150 мм рекомендуется использовать значение коэффициента теплопроводности при средней температуре среды 20 °С X = 0,218 ± 0,014 Вт/(м-0С); для пятислойного сечением 200x150 мм X = 0,228 ± 0,008 Вт/(м,0С). При этом точность определения коэффициента теплопроводности соответственно равна 6,4 % и 3,5 %

12. При определении коэффициента теплопроводности конструкций из клееного бруса значения, полученные экспериментальным путем по описанной методике, надо умножать на поправочный коэффициент. Для трехслойного бруса он равен 1,068, для пятислойного — 1,055.

13. Наличие сучков в ламелях оказывает влияние на характер изменения температурного поля в ходе опытов. Как установлено сучки, состоящие из более плотной древесины и проходящие под углом от 70° до 90° к направлению волокон в ламелях, повышают теплопроводность материала. Об этом свидетельствует более интенсивное изменение температурного поля в ламелях с сучками.

14. Отклонение экспериментальных значений коэффициента теплопроводности от теоретически вычисленных не превышает 2,7 %, что подтверждает корректность математической модели и принятых при ее разработке допущений.

15. Экспериментально доказанное повышение теплопроводности клееного бруса по сравнению с нормативным значением требует увеличения толщины слоя утеплителя. Повышение стоимости конструкции будет компенсировано снижением расходов на отопление в течение всего срока службы здания, при этом единовременные затраты окупятся уже через два года.

1. Абутков Б.В. Процесс очищения деревьев от сучьев в разных насаждениях / Б.В. Абутков. Л.: ЛТА, 1975. - 44 с.

2. Анисов П.П. Исследование напряженно-деформационного состояния мерзлой древесины методом фотоупругих покрытий в процессе ее оттаивания / П.П. Анисов, Е.В. Брюховецкая, Т.М. Брюховецкая, Н.П. Анисов // Сиб. технол. институт. Красноярск, 1990. - 15 с.

3. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов / Е.К. Ашкенази. М.: Лесная промышленность, 1978. - 224 с.

4. Баскаков А.П. Теплотехника : учебник для вузов / А.П. Баскаков. М. : Энергоиздат, 1982. — 264 с.

5. Белых А. Проблемы с крышей / А. Белых // Костромской бизнес-журнал. 2007. - №1. - С. 72-77.

6. Боголицын К. Г. Физикохимия лигнина / К. Г. Боголицын // Материалы II Международной конференции : Архангельский гос. технический уи-верситет. Архангельск : АГТУ, 2007 г. - 120 с.

7. Боровиков A.M. Справочник по древесине / A.M. Боровиков, Б. Н. Уголев. -М.: Лесная промышленность, 1989. 296 с.

8. Братилов Д.А. Выборочная технологическая модель сучковатости комлевых сосновых бревен / Д.А. Братилов, А.Д. Голяков // Изв. вузов. Лесн. журн. 2004. - № 1. - с. 67-76.

9. Братилов Д.А. Совершенствование раскроя высококачественных пиловочных сортиментов: Дис. . кандидата технических наук : 05.21.05 : защищена 2005г. / Д.А. Братилов. Архангельск: Архангельский государственный технический университет, 2005. — 169с.

10. Ю.Бызов В. Е. Оценка прочности брусьев для строительных конструкций / В. Е. Бызов / / Деревообрабатывающая промышленность. 2008. - №1. -С. 16-18.

11. П.Бычкова Е. Коммуналки XXI века / Е. Бычкова // Аргументы и факты. -2006. -№43.

12. Винокурова Р. И. Закономерности физико-химических параметров древесины растущего дерева / Р. И. Винокурова, Р. И. Винокурова, П. М. Мазуркин, Е. В. Тарасенко // Марийский гос. техн. ун-т, 2004 г.

13. Волынский В.Н Особенности проявления масштабного фактора при изгибе древесины / В.Н. Волынский / / Изв. вузов. Лесн. журн. 1990. -№ 2. - С. 75-78.

14. Герасимов В. М. Механические свойства древесины и композиционных материалов : монография / В. М. Герасимов. Чита: ЧитГУ, - 2007 г.

15. Голубев-JI. Г. Древесиноведение. Свойства и пороки древесины : учеб. пособие / JI. Г. Голубев. Казань: Изд-во Казан, гос. технол. ун-та. — 2000 г.

16. Гончаренко H.A. Метод расчета длины бессучковой зоны стволов в задаче оценке сырьевых ресурсов предприятий / H.A. Гончаренко, В.А. Пилинович, Г.А. Степаков // В сб.: Механизация и автоматизация управления Петрозаводск : Карелия. — 1974 г.

17. П.Горбачева Г. А. Деформационные превращения древесины при изменении нагрузки, влажности и температуры : дис. . кандидата техн. наук : 05.21.05: защищена 2004г. / Г. А. Горбачева. Москва: Московская государственная лесотехническая академия. - 2004 г.

18. ГОСТ 2140-81 Пороки древесины. Классификация. Термины и определения, способы измерения. М.: Изд-во стандартов, 1980. -120 с.

19. ГОСТ 26254-84 Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. М. : Госстандарт, 1985 - 14 с.

20. ГОСТ 26602.1-99 Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче. М. : Госстрой России, 2000 г. - 25 с.

21. ГОСТ 30256-94. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом. М. : Изд-во стандартов, 1996 г. - 22 с.

22. ГОСТ 31166-2003 Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи. — М. : Изд-во стандартов, 2003. — 31с.

23. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. -М. : Изд-во стандартов, 2000 г. 13 с.

24. ГОСТ 8.417-82. ГСИ. Единицы физических величин. М.: Изд-во стандартов, 1982. - 39 с.

25. ГОСТ 8486-86 Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия. — М. : Изд-во стандартов, 1986. -28 с.

26. Департамент по топливноэнергетическому комплексу и тарифной политике Костромской области. Электронный ресурс. Режим доступа : http ://w ww.tektarif.ru.

27. Деревянные конструкции и детали / В. М. Хрулев, К. Я. Мартынов, С. В. Лукачев, Г. М. Шутов; под общ. ред. В. М. Хрулева. 3-е изд., пере-раб. и доп. - М. : Стройиздат, 1995. - 384с.

28. Деревянные конструкции в строительстве / Л. М. Ковальчук, С. Б. Тур-ковский, Ю. В. Пискунов и др. М. : Стройиздат, 1995. - 248 с.

29. Древесные сучки. Статья профессора Брюса Р. Ходли. Электронный ресурс. Режим доступа : http://woodex.ua

30. Жан Батист Фурье. Электронный ресурс. Режим доступа : http://taina.aib.ru

31. Карливан В.П. Классификация возможных способов изменения свойств древесины / В.П. Карливан, К.А. Роценс // Химия древесины. 1990 — № 1.-С. 114-116.

32. Карслоу Г. С. Теория теплопроводности, пер. с англ./ Г. С. Карслоу // М.-Л., 1947.

33. Кинетическая теория газов. Электронный ресурс. Режим доступа : http://nplit.in

34. Китаева Е. Технологии строительства домов из клееного бруса прогнозируют быстрое развитие // Деловой Санкт-Петербург. Электронный ресурс. Режим доступа : http://www.spbgid.ru

35. Ковальчук JI. М. Производство деревянных клееных конструкций / JI. М. Ковальчук. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ООО РИФ Стройматериалы, 2005. - 336 с.

36. Кречетов И.В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с.

37. Кроткевич П.Г. Выращивание высококачественной древесины / П.Г. Кроткевич. М. - Л.: Гослесбумиздат, 1955. - 179 с.

38. Лабораторный практикум по технологии теплоизоляционных материалов / Инновационный центр «Химические технологии и оборудование». Электронный ресурс. — Режим доступа : http://chemteq.ru

39. Маркетиноговый отчет / Новые строительные технологии // Официальный сайт Ассоциации деревянного домостроения. Электронный ресурс. Режим доступа : http://www.npadd.ru

40. Материалы VIII Международного лесопромышленного Форума, октябрь 2006 г, Санкт-Петербург. С-Пб., 2006. - 112 с.

41. Машкин Н. А. Эксплуатационная стойкость модифицированной древесины в строительных изделиях : монография / H.A. Машкин; Отв. ред. В.М. Хрулёв. Новосибирск: НГАСУ, 2001. - 260 с.

42. Мошкалев А.Г. Научные основы таксации товарной структуры древо-стоев. Автореф. дис. . доктора с.-х. наук./ А.Г. Мошкалев. Л., 1974. -39 с.

43. Мышелова Г.Н. Производство деревянных клееных конструкций в Австрии / Г. Н. Мышелова, Д. Ю. Стрельцов, Д.С. Журавлев // Деревянное домостроение. Электронный ресурс. — Режим доступа : http ://www. stroy inform .ru.

44. Надежные средства и системы технологического контроля «Элемер». Электронный ресурс. — Режим доступа : http://www.elemer.ru

45. Некоторые физико-механические свойства древесины, длительное время находившейся в воде (сосны) / Е.Д. Репкина, В.В. Марченко, Г.М. Давидов, В.А. Иванов. Л., Ленинградская лесотехническая академия. -1990 - 6 с.

46. Новости Петрозаводского государственного технического университета. Электронный ресурс. Режим доступа : www.pstu.ru

47. Перспективы развития рынка деревянных клееных конструкций. / Стройинформ. Электронный ресурс. — Режим доступа : http://vvww.stroyinform.ru.

48. Петровский И.Г. Уравнения математической физики / И. Г. Петровский. 4-е изд. - М.: Наука, 1966. - 297 с.

49. Полубояринов О.И. Сучковатость древесного сырья / О.И. Полубояри-нов. Л., ЛТА, 1972. - 56 с.

50. Полубояринов О.И. Оценка качества древесины в насаждении : учеб. пособие по курсу "Лесн. товароведение с основами древесиноведения" для спец. 0901, 1512 и 1719 / О. И. Полубояринов: Л. ЛТА, -1981.-87 с.

51. Пуассон Симеон Дени. Электронный ресурс. Режим доступа : http://revolution.allbest.ru

52. Российский статистический ежегодник. Стат. сборник / Росстат. М., -2006.

53. Румянцев М.В. Определение показателей оценки качества клееной древесины с учетом дефектов склеивания : Дис. .канд. техн. наук.: 05.21.05 : защищена 2002г. / М.В. Румянцев. Архангельск: Архангельский государственный технический университет, 2002.

54. Рыкунин С.Н. Рациональное использование древесного сырья в производстве заготовок : Дис. . докт. техн. наук.: 05.21.05: защищена 1988г. / С.Н. Рыкунин. — Москва: Московский лесотехнический институт, 1988.-266 с.

55. Сироткина К.В. Определение теплопроводности древесины / К.В. Си-роткина, A.A. Титунин // Сборник научно- исслед. работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». — Кострома: Авантитул, 2005. -С. 104-108.

56. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. М. : Госстрой России, 2003.-23 с.

57. СНиП II—3—79* Строительная теплотехника. Нормы проектирования . -М.: ГУП ЦПП, 1998. 29 с.

58. СНиП II—25-80 Деревянные конструкции. — М.: Государственный комитет СССР по делам строительства, 1980. — 27 с.

59. Соболев С.Л. Введение в теорию кубатурных формул / С. Л. Соболев. -М.: Высшая школа, 1974. 408 с.

60. Соловьев В.В., Румянцев М.В. Исследование трещиностойкости клеевых соединений древесины для трещин нормального отрыва // Изв. Вузов. Лесной журн. 2000. - № 5,6 - С. 128-132.

61. Справочник по древесиноведению, лесоматериалам и деревянным конструкциям, перевод с англ. T. I, M. JL, 1959. - 319 с.

62. Тарашкевич В. И. Теплофизические свойства древесины мягких лиственных пород, модифицированной термохимическим способом : автореферат дис. . кандидата технических наук : 05.21.05 / В.И. Тарашкевич. Белорус, технол. институт, 1990. - 16 с.

63. Тацюн М.В. Современное состояние ЛПК России и пути его развития / М.В. Тацюн Дерево. RU. - 2006. - № 4. - М.: ООО «РИА Пресс», 2006. - С. 24-27.

64. Технические условия на изготовление стенового клееного бруса (от 3-х ламелей и более). ТУ «Рамлес», 2007. - 34 с.

65. Титунин A.A. Ресурсосбережение в деревообрабатывающей промышленности. Организационно-технические аспекты : монография / А. А. Титунин. Кострома : Изд-во КГТУ, 2007. - 141 с.

66. Титунин A.A. Определение коэффициента теплопроводности клееной древесины / A.A. Титунин, Ю.П. Данилов, В.П. Чулков, К.В. Сиротки-на // Вестник Костромского государственного технологического университета, №11,- Кострома: КГТУ, 2005. С. 114-117.

67. Тихонов А.Н. Некоторые применения функционального анализа в математической физике / А. Н. Тихонов. 2-е изд. - Новосиб., 1962. - 132 с.

68. Турольски Е. Влияние сбежистости на расположение, величину и количество сучьев / Е. Турольски, Е. Буххольц. Лесной журнал, 1964. -№4.-С. 97-101.

69. Тутурин C.B. Механическая прочность древесины / С. В. Тутурин : Москва: Компания Спутник+. 2007 г.

70. Тюкина Ю.П. Технология лесопильно-деревообрабатывающето производства: учеб. для СПТУ / Ю.П. Тюкина, Н.С. Макарова. — М.: Высш. шк., 1988,—271 с.

71. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. Учебник для лесотехнических вузов / Уголев Б.Н. М.: МГУЛ, 2001. -340с.

72. Федеральная служба государственной статистики. Электронный ресурс. — Режим доступа : www.gks.ru.

73. Федеральная целевая программа «Жилище» на 2002-2010 годы : Постановление Правительства Российской Федерации от 14.03.2001 г. № 346 р. / Нормативная база в строительной отрасли Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.stroi.ru/nrmdocs.

74. Фрейдин А. С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины / А. С. Фрейдин, К. Т. Вуба. — М.: Лесная промышленность, 1980. -224 с.

75. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шеффер. М.: Изд-во «МИР», 1977.-552 с.

76. Хихлуха Л.В. Гармоничное развитие жилищного фонда важнейшая задача жилищной политики в России / Л.В. Хихлуха // Строительные материалы. - 2007. - №10. - С. 2-9.

77. Чернышев О.Н. Влияние наполнителей на свойства фенолорезорцино-вого клея и клеевых соединений древесины / О.Н. Чернышев // Всес.

78. Научно-техническая конференция «Модифицирование и защитная обработка древесины», 25-29 сент., 1989: Тез. доклад Т. 2. Красноярск, 1989.-С. 61-63.

79. Чубинский М.А. Биостойкость древесины лиственницы : Автореферат дис. . кандидата биологических наук / М.А. Чубинский. СПб: ГЛТА, 2003- 16 с.

80. Чудинов Б.С. Теория тепловой обработки / Б.С. Чудинов. М., 1968. -255 с.

81. Шефе Г. Дисперсионный анализ / Г. Шефе. М.: Физматгиз, 1963. -625 с.93 .Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. — М.: Лесная промышленность, 1990. -336 с.

82. Housing Statistics in the European Union 2004. National Board of Housing, Building and Planning, Sweden; Ministry for Regional Development of the Czech Republic Электронный ресурс. Режим доступа : www.iut.nu.

83. Libor Severa. The tensile behaviour of notched wood / Libor Severa, Ivo Krivanek, Jaroslav Buchar, Petr Konas. // Строение, свойства и качестводревесины : труды IV Международного симпозиума. Т.1. СПб : СПбГЛТА, 2004, - с. 344-347.

84. Notched Wood Post Beam Connection Электронный ресурс. Режим доступа : http://www.decks.com

85. Polubojarinov O.I., Chubinsky A.N., Martinsson О. Decay Resistance of Siberian Larch Wood. AMBIO. v. 29, №6, 2000 P. 352-353.

86. Gierlinger N. Rapid prediction of natural durability of larch heartwood using FT-NIR spectroscopy / N. Gierlinger, N. Jacques, M. Schwanninger, R. Wimmer, В. Hinterstoisser, L.E.Pâques //Canadian Journal of Forest Research. 2003. -№ 33. P. 1727-1736.

87. Shen J. Experimental study of optical scattering and fiber orientation determination of softwood and hardwood with different surface finishes / Shen J, Zhou JQ, Varquez O. 2000.