ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ЧЕРЕЗ ПОКРЫТИЕ И НАРУЖНЫЕ СТЕНЫ  ПОДВАЛЬНЫХ ПОМЕЩЕНИИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

 

М.В. Анисимов, С.А. Карауш, д.т.н., каф. «ОТиОС», ТГАСУ

 

Вопросы энергосбережения остро стоят в настоящее время в жилищно-коммунальной сфере. Это особенно относится к жилым домам старой застройки, т.к. в период их проектирования малое внимание уделялось подвальным помещениям, т.к. полезной нагрузки эти помещения практически не несли. В последнее время подвальные помещения стали осваиваться, в них стали размещать различные клубы, магазины, кафе и т.п. Поэтому вопрос теплопереноса подвальных помещений приобрел особую важность, тем более, что предложенная нормативная методика подвальных помещений приводит к значительным ошибкам при расчетах.

Теоретические исследования теплопотерь подвальных помещений связано с значительными трудностями, поэтому на наш взгляд наиболее быстрые и точные результаты могут быть достигнуты в эксперименте. Поэтому в 2002 г. в Томске были начаты исследования по определению теплопотерь подвальных помещений типового 5-и этажного панельного жилого дома 464 серии, как одного из наиболее распространенных в городе. На первом этапе целью исследования стало определение экспериментальным путем потерь тепла через перекрытие подвала, а так же потерь тепла через наружную стену и сравнение полученных данных с данными расчета по нормативной методике [1].

            В качестве объекта для проведения исследований был выбран жилой дом, расположенный по ул. Иркутский тракт. Наружная стена подвального помещения выполнена из бетона на щебне из природного камня. Пол 1-го этажа – деревянный, на лагах, толщина перекрытия (железобетонной плиты) 220 мм, толщина деревянного настила 30 мм, толщина воздушной прослойки между плитой и настилом d=60 мм.

            В основу исследований были положены требования ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» [2]. Для этих целей был разработан, изготовлен и установлен в подвальном помещении измерительный комплекс, принципиальная схема которого показана на рис.1. Измерительными элементами являлись датчики температуры (термопар) 2 и датчики теплового потока 1, установленные на потолочном перекрытии, наружных и внутренних стенах подвального помещения. Для контроля температуры воздуха в помещении на разных высотах использовались также термометры. 

 

 

 

 

Для коммутации были установлены узлы переключателей (3). Измерение сигналов от термопар и датчиков теплового потока производилось электронным термометром       ЦР 7707-01 (5) и микровольтметром Щ-300 (4).

            Экспериментальные исследования проводились с октября 2002 г. по сентябрь 2003 г. с интервалом измерений – 1день. Так как наиболее важным с тепловой точки зрения является осенне-зимний период, то полученные результаты приведены для периода с 6.11.2002 по 19.02.2003 г. При измерениях было выявлено, что при строительстве дома была нарушена технология строительства -  отсутствовал утеплитель пола   1-го этажа над подвальным помещением. Поэтому теплопотери через подвальное перекрытие, определенные в эксперименте, значительно превышают теплопотери, рассчитанные в соответствии с методикой [1].

Исследования теплопереноса через цокольную стену, расположенную выше грунта, показало достаточно хорошее совпадение тепловых потоков, полученных в эксперименте, с тепловыми потоками, рассчитанными по методике [1] для наружных ограждающих конструкций. Это хорошо видно из рис. 2, где приведено это сравнение.

 

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и расчетных значений теплового потока через наружную стену подвального помещения.

 

Хорошее совпадение измеренных и рассчитанных значений тепловых потоков говорит о том, что для наружных ограждающих конструкций методика, приведенная в [1], достаточно хорошо описывает реальные процессы теплопереноса.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника.-М.: ГП ЦПП, 1998 г.-29 с.

2. ГОСТ 26254-84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций М.: Изд-во стандартов, 1985.-24 с.

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОПАЛУБКИ

C СОТОВЫМ УТЕПЛИТЕЛЕМ

А.И. Гныря, д.т.н., профессор, В.И. Терехов, д.т.н., профессор,

Р.И. Быструшкина, к.т.н., доцент, Р.А. Жарков, студент

Томский государственный архитектурно-строительный университет,

Институт теплофизики СО РАН,  Новосибирск

 

Технология бетонных работ в целом, особенно в зимних условиях, относится к категории повышенной энергоемкости. Составляющая энергозатрат складывается из затрат на технологию укладки и расхода энергии на тепловую обработку. Последние затраты необходимы для компенсации теплопотерь в окружающую среду.

Для обеспечения жесткости, геометрической неизменяемости, высокой оборачиваемости, точности монтажа и т.д., как правило, применяется металлическая опалубка. Однако существующие утеплители, их теплофизические характеристики, способы установки, сохранность их первозданных свойств в процессе эксплуатации опалубки и в целом опалубочные работы приводят к увеличению ручного труда, себестоимости, трудозатрат, сроков производства бетонных работ и, в конечном счете, приведенных затрат. Поэтому в данной работе в качестве перспективного утеплителя металлической опалубки предлагаются сотовые воздушные прослойки, которые обеспечивают более высокие теплофизические характеристики и прочностные показатели.

Опалубка имеет самую различную конфигурацию, наличие шероховатости и ребер жесткости с разным интервалом их установки. Примером может служить опалубка типа “Монолит”, где ребра высотой 63 мм, располагаются через 30…60 см. Наличие оребрения поверхности борта опалубки оказывает влияние на локальный коэффициент теплоотдачи aл, а, следовательно, и на средний коэффициент по поверхности aср.

При бетонировании конструкций углы, выступы, закладные детали, ребра и другие элементы конструкций, остывающие быстрее, чем основная часть, необходимо утеплять дополнительно, создавая одинаковые условия остывания всей конструкции. Разработанная опалубка позволяет исключить подобного рода технологические переделы за счет предложенных конструктивных элементов с сотовым утеплителем. Данная опалубка отличается от обычной инвентарной еще и тем, что имеет повышенную жесткость и геометрическую неизменяемость, а также универсальные приспособления, облегчающие ее монтаж и демонтаж. Это позволит примерно на 20 % снизить стоимость сборки опалубки и на 50 % уменьшить трудозатраты. При нормальной эксплуатации ее можно использовать до 500 и более раз. В то время как оборачиваемость деревянной опалубки не более 10…15 циклов.

С целью проверки теоретических положений, расчета коэффициента теплопередачи предложенной опалубки в условиях строительной площадки при температуре наружного воздуха tн.в. = –6 оС и скорости ветра от 9 до 12,4 м/с было осуществлено бетонирование ростверка с модулем поверхности 5,7 м-1.. Применяемая арматура и бетон В20 имели удельную теплоемкость соответственно 0,48 и 1,04 кДж/кгоС. Объемная масса бетона и арматурной стали, составляли 2400 и 7800 кг/м3 соответственно. При бетонировании использовалась металлическая опалубка “Монолит 72” (1800´550´4 мм), деревянная опалубка (2000´600´40 мм) и опалубка (2000´600´55 мм) с сотовым утеплителем. Бетонная смесь укладывалась в холодную опалубку на промороженное основание, затем устанавливались электроды и бетонная смесь включалась в электрическую цепь как сопротивление. Тепловая обработка бетонных конструкций осуществлялась электропрогревом. Бетонная конструкция сверху укрывалась водонепроницаемым материалом и опилками толщиной 400 мм. Контроль за температурным режимом остывания велся при помощи прибора ИТ-1 (с разрешающей способностью прибора от –50 оС до +200 оС). Замер температуры осуществлялся ежечасно в характерных точках сечения ростверка. В ростверк устанавливались электроды с шагом до 300 мм. Электропрогрев осуществлялся 24 часа, температура в момент отключения составляла около 60 оС при температуре наружного воздуха –15 оС. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод: опалубка с сотовым утеплителем имеет более высокие теплофизические характеристики (= 0,025 Вт/моС), деревянная (= 0,14 Вт/моС), металлическая  (Вт/моС). В металлической опалубке с сотовым утеплителем бетон остывал до 0 0С  более 80 часов, в деревянной опалубке 48 часов, в металлической 7 часов.

Проведенные исследования позволили уточнить коэффициент теплопередачи опалубки от ряда технологических параметров: начальной температуры бетона, вида и конфигурации опалубки, утеплителя и модуля поверхности конструкции, скорости движения ветра, местоположения конструкции, состава бетона и т.д. Эти исследования дают возможность выбрать оптимальные условия зимнего бетонирования с наименьшим расходом энергии и себестоимости производства бетонных работ.

 

Внешний тепло-и массообмен при бетонировании

конструкций в зимних условиях

 

А.И. Гныря, д.т.н., профессор,  С.В. Коробков, к.т.н., доцент,

 В.И. Терехов, д.т.н., профессор

Томский государственный архитектурно-строительный университет,

Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск

 

В нашей стране, особенно в таких районах как Западная и Восточная Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север, строительно-монтажные работы предъявляют повышенные требования к строительным материалам, ведущее место среди которых по-прежнему занимают бетон и железобетон. Эти районы отличаются суровыми климатическими условиями (продолжительность зимнего периода более 8 месяцев, температура наружного воздуха до –30…-50 оС, большая скорость ветра до 10…15 м/с, снежные заносы), которые отрицательно влияют на технологию бетонных работ в условиях зимы.

Зима каждый год приходит на строительную площадку и ставит перед строителями много проблем, которые приводят к большим дополнительным людским и энергетическим затратам. При строительстве в зимних условиях дополнительные расходы в целом составляют порядка трети расходов потребляемой энергии на весь объект. Изготовление железобетонных конструкций высокого качества в зимних условиях возможно при создании надлежащих благоприятных условий для твердения бетона.

Для обеспечения набора прочности бетона до замерзания нормативными документами Госстроя СССР узаконен целый ряд методов производства бетонных работ в зимних условиях. К ним относятся: термос, электротермообработка, производство бетонных работ с химдобавками, конвективная тепловая обработка бетона паром, горячим воздухом и продуктами сгорания газа и др.

Выбор метода зимнего бетонирования зависит от многих факторов и диктуется технологическими и экономическими соображениями. При этом одним из главных показателей является расход электроэнергии на 1 м3 бетона, уложенного при отрицательной температуре.

Прогнозирование режима тепловой обработки и обеспечения набора прочности бетона монолитных конструкций в зимних условиях является весьма актуальной задачей и должно осуществляться с учетом физических, климатических, экономических, энергетических, а также конструктивно-технологических факторов. На VIII Всесоюзной конференции по бетону и железобетону, состоявшейся в 1977 году, было принято решение по дальнейшему исследованию методов производства бетонных работ в зимних условиях с учетом совместного воздействия отрицательной температуры и скорости движения ветра.

Таким образом, для решения выше поставленных задач необходимо одновременно проводить исследования в области строительной климатологии, теории теплопередачи и технологии производства бетонных работ в зимнее время.

К настоящему времени установлено, что на формирование температурного поля в теле бетона, а, следовательно, на его физико-механические свойства, большое влияние оказывает теплообмен конструкций с внешней средой. Степень совершенства того или иного метода зимнего бетонирования в основном зависит от условий внешнего теплообмена. Теплообменные процессы наиболее интенсивно протекают в начальной стадии твердения бетона, поэтому большое внимание уделяется изучению внешнего теплообмена свежеуложенного бетона. Одним из главных параметров, влияющих на процесс остывания бетона, является коэффициент теплоотдачи a.

На рис. 1 приведена классификация физических, климатических, конструктивных и технологических параметров, влияющих на процесс остывания бетона в зимних условиях.

 

Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на процесс остывания бетона

в зимних условиях

 

К физическим факторам, определяющим способы потери теплоты, относятся унос теплоты конвекцией, лучеиспусканием, теплопередачей или испарением. Интенсивность конвективного теплообмена зависит в основном от скорости ветра, а лучеиспускание – от разности температур.

К климатическим факторам относятся температура окружающей среды, скорость ветра и его направление, влажность, барометрическое давление.

Конструктивные факторы включают в себя конфигурацию конструкции и ее геометрические размеры (прямоугольник, квадрат, куб, плита, пластина, призма и т.д.), конструктивные особенности опалубки (наличие ребер, уступов и т.д.).

Технологические факторы включают в себя начальную температуру уложенного бетона, марку цемента, водоцементное отношение, расход цемента, экзотермию цемента, местоположение конструкции  (в котловане, траншее, на поверхности земли, за экраном, уступом, одиночно стоящая или в тандеме с подобными плохообтекаемыми конструкциями).

Исследованиями влияния вышеперечисленных факторов на внешний теплообмен бетонных конструкций с внешней средой, а, следовательно, и на интенсивность остывания бетона в зимних условиях кафедра «Технология строительного производства» Томского государственного архитектурно-строительного университета занимается на протяжении 30 лет.

За это время исследования проводились в Институте теплофизики СО РАН в г. Новосибирске, Томском и Новосибирском государственном архитектурно-строительном университетах, НИИЖБе Госстроя России, институте интроскопии Томского политехнического университета, НИИСМе ТГАСУ. 10 лет назад на кафедре ТСП была создана своя лаборатория тепло-и массообменных процессов. На протяжении трех десятилетий в университете по данному направлению сформировалась научная школа во главе с д.т.н., профессором А.И. Гнырей. За это время на кафедре ТСП защищено 17 кандидатских диссертаций, в том числе 12 диссертаций по технологии бетонных работ в зимних условиях и одна докторская диссертация. Кандидатские диссертации защитили Осауленко, Э.К. Деев, А.П. Шешуков, А.В. Злодеев, П.Е. Иванов, К.Е. Кузьмин, И.А. Подласова, С.Д. Витько, А.П. Кардаш, Р.И. Быструшкина, С.В. Коробков.

В настоящее время кафедра ТСП тесно сотрудничает с лабораторией термогазодинамики Института теплофизики СОРАН г. Новосибирска в лице ее заведующего д.т.н., профессора В.И. Терехова.

Что дают эти исследования для строительных организаций? Полученные нами результаты трансформируются в графики, номограммы или таблицы, в которых указывается какой должен быть режим тепловой обработки бетона в зависимости от скорости и направления ветра, от перепада температур между бетоном и окружающим воздухом, формы конструкции и ее местоположения, вида опалубки. Эти данные позволяют регулировать режимы тепловой обработки бетона возводимых конструкций с тем, чтобы исключить локальные перегревы или недогревы в различных точках конструкции. Этим самым добиваться равномерного распределения температур по сечению конструкции и получения бетона требуемого качества.

В настоящее время ведется работа по разработке другого направления работы лаборатории. Накопленный сотрудниками нашей лаборатории опыт позволил сделать предположение, что эти же принципы теплообмена можно перенести и на целые здания и сооружения. Поэтому планируется начать исследования внешнего теплообмена кварталов застройки зданиями с целью создания в них оптимального микроклимата с точки зрения комфортности и энергосбережения.

Мы уверены, что оптимальное расположение зданий при застройке кварталов может снизить количество продуваемых зон и сократить потери тепла в зданиях и сооружениях. Полученные в дальнейшем данные могут служить исходным материалом в области  градостроительной политики при проектировании новых городов и кварталов.

 

Энергоэффективные конструкции окон

с регулируемыми теплозащитными характеристиками

 

А.И. Гныря, д.т.н., профессор, Е.В. Петров, к.т.н., доцент, В.И. Терехов, д.т.н., профессор, М.И. Низовцев, к.т.н.,  М.В.  Диомидов, к.т.н.

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск

 

В связи с увеличением стоимости энергоресурсов повышаются требования энергосбережения к теплозащитным характеристикам всех элементов ограждающих конструкций зданий. Для стен и перекрытий повышение термических сопротивлений может быть достигнуто за счет увеличения толщины слоя обычно используемых утеплителей или переход на новые высокоэффективные утеплители. Повышение теплозащитных характеристик окон традиционными методами, например, увеличением рядов остекления кроме значительного усложнения конструкций приводит к существенному снижению светопропускания.

Один из путей повышения термических сопротивлений оконных заполнений, получивший широкое распространение в строительной практике, особенно за рубежом, заключается в нанесении на поверхность стекол теплоотражающих покрытий, которые эффективно снижают лучистый теплообмен. Для дальнейшего совершенствования таких конструкций окон используют заполнение межстекольных промежутков специальными газами, уменьшающими конвективно-кондуктивную составляющую теплообмена.

В настоящее время в ряде лабораторий при поддержке ведущих производителей окон ведутся работы над совершенствованием конструкций вакуумных стеклопакетов с уникальными теплозащитными характеристиками. Внедрение таких конструкций в практику строительства в данный момент сдерживается их высокой стоимостью и технологическими сложностями в организации процесса производства.

Кроме вопросов энергосбережения нельзя упускать из внимания и проблемы создания комфортных условий для человека внутри вновь строящихся зданий. Один из факторов, обеспечивающий комфортные условия в помещении является минимальный перепад температур между температурой воздуха внутри помещения и температурами внутренних поверхностей ограждающих конструкций. В жилых зданиях, построенных согласно существующих требований по теплозащите, разница температур между температурой внутренней поверхности наружной стены и воздуха в помещении составляет в наиболее холодный период времени несколько градусов, в то время как разница температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности остекления может составлять более 10 °С, что приводит к существованию зоны с дискомфортными условиями около окон.

Поэтому актуальной представляется задача разработки и исследования новых конструкций окон с более высокими температурами внутренней поверхности остекления, так как низкая температура остекления ведет не только к образованию конденсата, но в некоторых случаях и к обледенению поверхности остекления, что снижает световую активность окон.

С целью комплексного решения вопросов энергосбережения и повышения комфортности помещений в ИТ СО РАН совместно с ТГАСУ на протяжении ряда лет ведутся работы экспериментального исследования и теоретического расчета конструкций оконных заполнений с регулируемыми теплозащитными характеристиками.

Одно из перспективных направлений окон с регулируемыми теплозащитными характеристиками – электрообогреваемые окна. Наибольшее распространение получили электрообогреваемые окна с обогревом внутреннего стекла, благодаря использованию специального токопроводящего прозрачного покрытия, наносимого на поверхность стекла, а также использование обогрева межстекольного пространства за счет нагревательного элемента, устанавливаемого в зазор между стеклами. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования использования тепловыделения от специального источника, установленного во внутренней воздушной прослойке окна с трехслойным остеклением, для регулирования температуры внутреннего остекления. Проведенный цикл экспериментов показал малоинерционность и высокоэффективность такой конструкции окна при небольших мощностях тепловыделений. Выполнены опыты по снижению тепловых потерь электрообогреваемого окна при использовании теплоотражающих покрытий.

Другое направление, развиваемое в ИТ СО РАН – это вентилируемые окна. В настоящее время до 50% тепла в жилых помещениях тратится на нагрев воздуха, необходимого для вентиляции помещений. В конструкции вентилируемого окна предусматривается прохождение воздуха комнатной температуры через внутреннюю воздушную прослойку окна с трехслойным остеклением с целью частичной утилизации тепловой энергии воздуха до удаления его из помещения. Выполнен цикл экспериментальных исследований конструкций таких окон при разных толщинах воздушных прослоек и скоростей прокачиваемого воздуха. Показана возможность работы такой конструкции окна, как в условиях свободноконвективного режима, так и при принудительной прокачке воздуха.

Наряду с экспериментальными исследованиями перспективных конструкций оконных заполнений проводятся работы по математическому моделированию сложного теплообмена в оконных конструкциях. Выполнены численные расчеты динамических и тепловых параметров в многослойных оконных заполнениях с замкнутыми и вентилируемыми воздушными прослойками.

В заключении следует отметить, что сочетание экспериментальных и теоретических методов исследования и кооперация усилий сотрудников академического института с преподавателями и студентами учебных вузов позволяет успешно сочетать решение задач исследования новых перспективных конструкций оконных заполнений с подготовкой специалистов высокой квалификации.