Статья ВАК: Оценка теплотехнической однородности фасада здания при изменении теплопроводности конструктивного слоя

В процессе совершенствования имеющейся нормативной базы в области строительства в России была разработана и с 1 июля 2013 года вступила в действие актуализированная редакция СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» — СП 50.13330.2012 (далее — СП 50) [1–4].

Это обстоятельство заставляет изменить подход к теплотехническому расчёту ограждающих конструкций зданий и выбору их требуемого сопротивления теплопередаче. Главным образом это относится к необходимости определять удельные потери теплоты через линейные теплотехнические неоднородности Ψ_j [Вт/ (м·К)] и через точечные неоднородности χ_k [Вт/К]. В наиболее сложных случаях это делается по результатам расчёта двухмерного или даже трёхмерного температурного поля узлов конструкций. Аналогичные предложения, методики и рекомендации имеются также и за рубежом, например, в [5–7].

В работах [8–9] исследовалось влияние изменения толщины утеплителя на суммарные дополнительные теплопотери через точечные и линейные элементы конструкции наружной стены общественного здания. В то же время зависимость её теплотехнической однородности от выбора материала конструктивных слоёв при одном и том же уровне теплозащиты не рассматривалась.

С целью изучения данного вопроса в предлагаемой работе было принято постоянное нормируемое начальное значение приведённого сопротивления стены теплопередаче R_о^пр.нач [м²·К/Вт] для рассматриваемого района строительства, но с различными вариантами теплопроводности λ_ст [Вт/(м·К)] непосредственно самого конструктивного слоя.

Используемые в качестве исходных данных коэффициенты Ψ_j и χ_k были приняты по СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей» (далее — СП 230), где они указываются в таблицах в зависимости от определённых свойств самих ограждений, особенно теплопроводности материалов конструктивного и теплоизоляционного слоёв, сопротивления теплопередаче и некоторых других. Следовательно, при изменении этих величин значения Ψ_j  и χ_k тоже в общем случае окажутся переменными.

Заметим ещё, что, поскольку в соответствии с СП 230 значения Ψ_j и χ_k в некоторой степени связаны ещё с термическим сопротивлением слоя утеплителя R_ут [м²·К/Вт], а оно до расчёта, вообще говоря, точно неизвестно, при расчётах необходимо использовать метод последовательных приближений. Для этого выбирался ориентировочный начальный уровень коэффициента теплотехнической однородности r_нач. После этого вычислялось условное сопротивление теплопередаче по глади стены без учёта теплотехнических неоднородностей R_о^{усл.нач} [м²·К/Вт], с помощью которого была определена толщина утеплителя d_ут [м] и величина R_ут, что позволяет уточнить Ψ_j и χ_k.

Затем уже пересчитывалось приведённое сопротивление стены R_о^пр [м²·К/Вт], по методике СП 50, а также коэффициент однородности r.

После этого в качестве rнач принимается вычисленная величина r, а вместо R_о^пр.нач — вычисленное R_о^пр, и вычисления повторяются. Такой перерасчёт в некоторых случаях необходимо проводить несколько раз до достижения необходимой точности, оцениваемой по совпадению значений между последовательными приближениями.

В предлагаемой работе вычисления проводились для наружной стены в здании клуба с залом на 550 мест в городе Курске. Длина и количество теплотехнических неоднородностей, приходящиеся на 1 м² поверхности конструкции, и необходимые для расчёта R_о^пр определялись по архитектурным чертежам.

Характеристики слоёв наружной стены:

1. Раствор цементно-песчаный, толщина δ₁ = 0,02 м, теплопроводность λ₁ = 0,076 Вт/(м·К).

2. Конструктивный слой — в зависимости от варианта, δ₂ = 0,25 м, λ₂ = λ_ст — значение менялось в пределах от 0,41 до 1,96 Вт/(м·К).

3. Плиты из пенополистирола, λ₃ = λ_ут = 0,052 Вт/(м·К), δ₃ = δ_ут — по расчёту.

4. Раствор сложный (песок, известь, цемент), δ₄ = 0,02 м, λ₄ = 0,07 Вт/(м·К).

В качестве линейных элементов учитывались оконные откосы, стыки стены с плитами перекрытия с перфорацией в соотношении 3:1, выпуклые углы и примыкания стены к цокольному ограждению, а за точечные были приняты дюбели, предназначенные для крепления теплоизоляции.

Необходимо отметить, что значение R_о^пр зависит главным образом от значения Ψ_j , а уровень χ_k оказывается практически постоянным. Это связано с тем, что для дюбелей данный параметр согласно СП 230 зависит только от их геометрических размеров, а они при незначительном изменении толщины утеплителя, происходящем при замене материала конструктивного слоя в условиях R_о^пр = const, практически полностью сохраняются.

Результаты расчёта коэффициента r приведены на рис. 1. Их можно обобщить аппроксимирующей формулой (1):

r = 0,02λ_ст² – 0,11λ_ст + 0,84. (1)

Коэффициент корреляции при этом составляет около 0,922, так что установленная зависимость является практически достоверной.

Целесообразно сравнить полученные данные с результатами, выявленными авторами ранее в работе [10] с использованием упрощённой методики, когда расчёт производился не для фасада в целом, а для выбранного характерного фрагмента стены, так что в качестве теплотехнических неоднородностей учитывались только дюбели и оконные откосы. Соответствующий график представлен на рис. 2. Он достаточно хорошо аппроксимируется формулой (2), для которой коэффициент корреляции составляет около 0,985, то есть даже ещё выше, чем в случае (1):

r = 0,03λ_ст² – 0,12λ_ст + 0,85. (2)

Нетрудно заметить, что для рассматриваемого примера существенного статистически значимого расхождения между исследованными вариантами не наблюдается. Таким образом, полученные сведения свидетельствуют о том, что основными линейными элементами конструкции фасада, влияющими на изменение приведённого сопротивления стены R_о^пр и, следовательно, её коэффициента теплотехнической однородности r, являются оконные откосы.

Это связано с тем, что при большой площади фасада удельная длина остальных линейных элементов, приходящаяся на 1 м² фасада, как правило, незначительна, и поэтому вклад этих элементов в общую неоднородность тоже невелик. В то же время подтверждаются выводы, сделанные в работе [10] относительно общего убывающего характера зависимости r от λ_ст, причём падение r при этом происходит нелинейно, с постепенным замедлением по мере роста λ_ст.

Это можно объяснить всё бóльшим искажением температурного поля при увеличении различий в теплопроводности конструктивного и теплоизоляционного слоёв, а также изменениями коэффициентов Ψ_j , которые, по данным СП 230, напрямую зависят от величины λ_ст, испытывая с её увеличением определённое насыщение.

Следовательно, полученные результаты свидетельствуют о том, что в инженерных расчётах для ориентировочной оценки теплотехнической однородности фасадов общественных зданий на этапе принятия основных проектных решений обычно можно пренебречь учётом всех линейных элементов, за исключением оконных откосов.