Рис. 1. Распределение массовой влажности по толще наружных стен
Табл. 1. Прогнозирование динамики изменения массовой влажности материалов
Промышленные холодильники эксплуатируются с жесткими требованиями обеспечения в камерах хранения продуктов отрицательной температуры и периодически изменяющимися внешними климатическими условиями. Вследствие этого в ограждающих конструкциях формируется особый тепловлажностный режим, оказывающий существенное влияние на их теплозащитные качества.
В данной работе представлены результаты теплотехнических исследований наружных стен промышленного холодильника и поиск путей повышения их сопротивления теплопередаче для перевода эксплуатации холодильных камер с температурного режима tк = –20 °C на режим tк = –25 °C. Наружные стены холодильных камер выполнены кирпичной кладкой (d = 380 мм) из полнотелого глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе, с внутренней теплоизоляцией плитами пенополистирольными и штукатуркой известково-песчаным раствором по металлической сетке.
Между слоями кирпичной кладки и теплоизоляции устроена пароизоляция одним слоем рубероида. Слой теплоизоляции составлен из двух плит пенополистирола, толщиной d = 100 и 150 мм. В 2005 году был проведен капитальный ремонт наружных стен холодильных камер с частичной (полной) заменой теплоизоляционного слоя. Снаружи, по стенам, была выполнена штукатурка полимерцементным раствором.
Тепловизионная съемка ограждающих конструкций холодильных камер. Для оценки температурных полей наружных стен холодильника выполнена их съемка в ИК-лучах. Съемка показала, что распределение температур по поверхности наружных стен холодильных камер, за исключением нескольких участков, достаточно однородное, сопряжения наружных стен с перекрытиями пониженными температурами не выделяются. Это позволило сделать вывод, что наружные стены, в основном, эксплуатируются примерно в одинаковом температурно-влажностном режиме.
Тепловлажностный режим наружных стен холодильных камер. По результатам ИК-съемки выбраны места вскрытия стен здания. Наружные стены вскрывались как со стороны улицы, так и со стороны холодильных камер на одних и тех же участках по этажам здания. Распределения массовой влажности по сечению наружных стен, ориентированных на северо-западное и юго-восточное направления показаны на рис. 1.
Максимальная величина массовой влажности материалов стены, ориентированной на северо-западное направление (рис. 1а), зафиксирована в слое пенополистирола. Значение ее значительно превышает расчетное массовое отношение влаги для пенополистирола в условиях эксплуатации «Б», равное WwБ = 10 % [1]. При вскрытии со стороны холодильной камеры между слоями штукатурки и пенополистирола, плитами пенополистирола и пароизоляции выявлены слои льда и инея.
Максимальная величина массовой влажности приходится на плоскость контакта плит из пенополистирольного пенопласта, составляющих слой теплоизоляции. Массовые влажности образцов определены без учета слоя льда толщиной d = 2–5 мм, находившегося между плитами. В контактном слое теплоизоляции у кирпичной кладки массовая влажность утеплителя минимальна по величине и равна Ww = 23,5 %.
Максимальная массовая влажность кирпича достигает 4,3 % и определена на расстоянии 40–110 мм от наружной поверхности стены. Наружная штукатурка, уложенная по кладке, имеет массовую влажность величиной в пределах Ww = 7,3–7,9 %. Распределение массовой влажности материалов по сечению юго-восточной стены имеет как сходства, так и различия со стеной северо-западной ориентации (рис. 1б).
В слое теплоизоляции массовая влажность пенополистирола достигает Ww = 190 %. При этом максимальная величина массовой влажности, также как и в стене северо-западного направления, определена в плоскости контакта плит пенополистирола. Различие наблюдается в величинах влажности слоев утеплителя, примыкающих к кирпичной кладке.
В указанной плоскости массовая влажность пенополистирола равна Ww = 2,1 %, что соответствует массовой влажности по условиям эксплуатации ограждений «А». Массовые влажности кирпичной кладки стены и цементно-песчаного раствора у плит пенополистирола не превышают Ww = 1 %. Максимальная влажность пенополистирола Ww = 190 % соответствует объемной влажности Wv = 4,7 %.
Указанная величина достаточно велика, но несмотря на это видимого нарушения структуры пенополистирола при кристаллизации воды в лед при натурных исследованиях не обнаружено. Массовые влажности наружной штукатурки и кирпича кладки наружных стен, ориентированных на северо-запад имеют значительно большие массовые влажности, в сравнении с материалами наружных стен, ориентированными на юго-восточное направление.
Это вызвано систематической конденсацией водяного пара на их наружной поверхности в летний период года и минимальным прогревом стен солнечной энергией. Расчеты влажностного режима наружных стен холодильника подтвердили, что зона конденсации водяного пара расположена в слое пенополистирола. Основной причиной значительной массовой влажности материалов стены является недостаточное сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции.
Сопротивление теплопередаче наружных стен, ориентированных на юговосток, равно RT = 3,55 (м2⋅°C)/Вт, для стен северо-западного направления — это RT = 3,29 (м2⋅°C)/Вт. Коэффициенты теплопроводности материалов определены в зависимости от влагосодержания при положительных и отрицательных температурах эксплуатации.
Сопоставление проектных и расчетных теплопритоков
Сопоставление и анализ статей теплопоступлений в камеры холодильника на январь-апрель 2010 года. показывают, что основные теплопоступления связаны с эксплуатационными потоками теплоты при холодильной обработке продуктов. Теплопоступления через наружные ограждения холодильника составили 18– 20 % от суммарных теплопоступлений. Поэтому уменьшение теплопоступлений только за счет дополнительной теплоизоляции наружных стен экономически не рационально и сложно в техническом исполнении.
На основании анализа статей теплопоступлений принят уровень увеличения сопротивления теплопередаче наружных стен до нормативной величины в соответствии с ТКП 45-3.02-151–2009 [2] равный RT = 4,7 (м2⋅°C)/Вт. С учетом сопротивления теплопередаче наружной стены северо-западного направления сопротивление теплопередаче дополнительной изоляции составляет ΔRT = 1,41 (м2⋅°C)/Вт, а для стен юго-восточной и юго-западной ориентации эта величина составит ΔRT = 1,15 (м2⋅°C)/Вт.
Дополнительная теплоизоляция наружных стен холодильных камер
Для повышения теплозащиты наружных стен холодильных камер рассмотрены три варианта дополнительной теплоизоляции, позволяющие как увеличить сопротивление теплопередаче, так и обеспечить удовлетворительный влажностный режим конструкции при их дальнейшей эксплуатации.
- Устройство наружной системы утепления из блоков пеностекла [d = 200 мм, ρ = 160 кг/м3, λБ = 0,07 Вт/(м⋅°C) и μ = = 0,003 мг/(м⋅ч⋅Па)] с наружной полимерцементной штукатуркой.
- Устройство наружной системы утепления из блоков пеностекла (d = 200 мм, ρ = 160 кг/м3) и вентилируемой фасадной системой.
- Устройство дополнительной теплоизоляции из трехслойных сэндвич-панелей с утеплителем из пенополиуретана (d = 100 мм, ρ ≥ 40 кг/м3).
Сравнительный анализ вариантов дополнительной теплоизоляции выполнен по результатам решения задач нестационарного переноса теплоты и влаги при граничных условиях III-го рода. Результаты расчетов показали, что наружные стены в режиме эксплуатации с дополнительной теплоизоляцией и вентилируемой фасадной системой имеют тепловлажностный режим, близкий к режиму стен с дополнительной теплоизоляцией и защитной наружной полимерцементной штукатуркой окрашенной в светлые тона.
Прогнозирование динамики изменения массовой влажности материалов, помесячно, в течение трехгодичного периода эксплуатации, показали, что в процессе эксплуатации она понижается. Средние массовые влажности материалов в начальный период эксплуатации, а также по состоянию на июль каждого последующего года после теплоизоляции, для наружной стены, ориентированной на юго-восточное направление, приведены в табл. 1.
Снижение влажности пенополистирола в первые три года эксплуатации составляет порядка 20 % по массе, причем снижение массовой влажности в каждый последующий годы идет менее интенсивно. Ориентировочный период снижения влажности до условий эксплуатации «Б» W = 10 % по массе составляет 15–20 лет. Устройство третьего варианта дополнительной теплоизоляции позволяет осуществить «консервацию» влаги, накопленной за период эксплуатации стен холодильника.
Выполнение работ по монтажу трехслойных сэндвич-панелей требует особой тщательности. Необходимо плотное прилегание без щелей и воздушных прослоек сэндвич-панелей к наружной поверхности стен; соединение панелей при монтаже водои паронепроницаемыми стыковыми «замками»; укрытие мест крепления панелей к стене металлическими накладками.
По теплотехническим показателям рассмотренные варианты дополнительной теплоизоляции удовлетворяют требованиям повышения теплозащитных качеств наружных стен холодильника до принятых величин при переводе эксплуатации холодильных камер с температурного режима tк = –20 °C на режим tк = –25 °C.
Заключение
Повышение теплозащиты зданий для перевода холодильных камер на пониженный температурный режим целесообразно выполнять устройством дополнительной теплоизоляции на наружной поверхности стен, не выводя холодильные камеры из эксплуатации. На основании результатов натурных экспериментальных и теоретических исследований выполнен анализ тепловлажностного режима наружных стен холодильника. Результаты исследований систем дополнительной теплоизоляции переданы проектным организациям для выбора проектного решения по устройству теплоизоляции холодильных камер со стороны наружного воздуха.
