Полный текст

Введение. Энергоэффективность подразумевает под собой уменьшение потребления энергии за счет более рационального ее использования. В современном мире данная тема становится все более актуальной в связи с ограниченностью природных ресурсов, повышением цен на энергоресурсы, а также ухудшающейся экологической ситуацией. На сегодняшний день все большей популярностью при малоэтажном строительстве пользуется технология, в которой стены возводятся из блоков несъемной опалубки. Такая технология позволяет возводить здания за короткие промежутки времени. Несъемная опалубка - это конструкция для заливки в нее бетонной смеси, которая остается как часть готовой конструкции (фундамента, стены, перекрытия и т.п.) и может выполнять функции утепления, шумоизоляции и др. [1, 2]. В данной работе рассмотрена стена, состоящая из опалубки, бетона и утеплителя. Также были рассмотрены некоторые виды материалов для такой стены. Предметом исследования стала энергоэффективность данной конструкции. Цель работы - определение влияния тех или иных элементов стены, имеющих различные характеристики, на ее энергоэффективность. Методом исследования в данной работе являются моделирование и последующий анализ полученных результатов. Для моделирования применена многофункциональная программа ANSYS. Данная программа пользуется популярностью у специалистов в области инженерных расчетов. Она предназначена для решения задач механики, теплопередачи, электродинамики и других сфер науки. В ней используется метод конечных элементов. Метод основан на идее аппроксимации непрерывной функции дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей [3, 4, 5]. Практическая значимость исследования заключается в возможности использовать полученные результаты для проектирования более энергоэффективных конструкций. 1. Анализ энергоэффективности материалов опалубки. В данной работе для исследования была выбрана конструкция стены, состоящей из блоков несъемной опалубки, в которых есть отдельный слой утеплителя. Приводится сравнение теплоизолирующих свойств двух материалов блоков несъемной опалубки. Это гиперпрессованный кирпич и опилкобетон. В качестве утеплителя был выбран экструдированный пенополистирол. Для сравнения материалов опалубки была выбрана упрощенная конструкция стены, состоящая из однородных слоев. Был рассмотрен тонкий кусочек стены, так как в такой стене изменение температуры будет только в направлении оси х (рис. 1). Рис. 1. Часть стенки: 1, 3, 5 - стенки опалубки; 2 - бетон; 4 - утеплитель Толщина стенок опалубки 50 мм, толщина бетона 150 мм, толщина утеплителя 100 мм. На границе стены слева заданы конвекция с коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К) и температура +20 оС, справа температура -30 оС, коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2·К). Теплофизические характеристики материалов представлены в табл. 1 [6, 7, 8]. Таблица 1 Теплофизические характеристики материалов Характеристики Гиперпрессованный кирпич Опилкобетон Бетон Экструдированный пенополистирол Плотность, кг/м3 1650 600 2300 40 Теплоемкость, Дж/(кг·оС) 1172 2300 840 1300 Теплопроводность, Вт/(м·оС) 0,816 0,12 1,5 0,03 В ходе решения задачи были получены результаты эксперимента. Распределение температуры представлено на рис. 2. Рис. 2. Распределение температуры в стенке По формуле Ньютона-Рихмана для плоской стенки можно найти плотность теплового потока, Вт/м2: (1) где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·оС); tс - температура стенки, оС; tж - температура жидкости, оС [9]. Для стенки с опалубкой из опилкобетона q = 10(20 - 18,93) = 10,7 Вт/м2. Для стенки с опалубкой из гиперпрессованного кирпича q = 10(20 - 18,73) = 12,7 Вт/м2. Анализируя полученные результаты, можно прийти к выводу, что у опилкобетона лучше теплоизоляционные свойства. Это видно, исходя из графиков распределения температуры, на которых у данного материала наблюдается больший перепад температуры. Поток тепла через стенку данной конструкции с материалом опалубки из гиперпрессованного кирпича больше на 17,6 %, чем поток тепла через стенку с материалом опалубки из опилкобетона. 2. Анализ энергоэффективности утеплителей. Во втором эксперименте приводится сравнение влияния на теплоизолирующие свойства стены из трех различных утеплителей. Это экструдированный пенополистирол, минеральная вата и засыпной утеплитель - керамзит. Также была выбрана упрощенная конструкция стены, состоящая из однородных слоев (см. рис. 1). Материал опалубки - опилкобетон. Толщина перегородок блока 50 мм, бетонного блока 150 мм. Также сравниваются три толщины утеплителя: 50, 100, 150 мм. На левой границе заданы конвекция с коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К) и температура +20 оС, на правой температура -30 оС, коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2·К). Теплофизические характеристики материалов представлены в табл. 2 [10]. Таблица 2 Теплофизические характеристики утеплителей Характеристики Минеральная вата Керамзит Экструдированный пенополистирол Плотность, кг/м3 100 600 40 Теплоемкость, Дж/(кг·оС) 1000 840 1300 Теплопроводность, Вт/(м·оС) 0,056 0,14 0,03 В результате было получено распределение температуры для трех вариантов утеплителей и толщин. Исходя из полученных данных, по формуле (1) вычислена плотность теплового потока. Результаты представлены в табл. 3. Таблица 3 Плотность теплового потока Толщина утеплителя, м Плотность теплового потока Вт/м2 Экструдированный пенополистирол Минеральная вата Керамзит 0,05 15 20,2 21,8 0,1 10,7 14,6 15,6 0,15 8,3 12,1 13,6 Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что утеплитель из экструдированного пенополистирола более энергоэффективен, тепловой поток через него меньше. Утеплитель из керамзита хуже остальных утеплителей. При толщине утеплителя 5 см не промерзает только утеплитель из экструдированного пенополистирола. Если сравнить с экструдированным пенополистиролом минеральную вату и керамзит, при толщине утеплителя 10 см, для стены данной конфигурации из минеральной ваты теплопроводность на 36 % выше, а для керамзита выше на 46 %. Также можно заметить, что при увеличении толщины утеплителя с 5 до 10 см тепловой поток уменьшается сильнее, чем при увеличении толщины утеплителя с 10 до 15 см. 3. Анализ энергоэффективности стены с перегородками. В отличие от упрощенной конструкции стены, состоящей из однородных слоев, реальная стена из блоков несъемной опалубки имеет перегородки, соединяющие слои между собой. Определяется влияние перегородок в стене на теплопроводность. Для исследования выбрана часть стены с такими перегородками. Сравниваются также два вида материала опалубки: опилкобетон и гиперпрессованный кирпич. Толщина стенок опалубки 50 мм. Размеры бетонного ядра: 150×175 мм. Размеры утеплителя: 100×175 мм. Материал утеплителя - экструдированный пенополистирол. На одной границе задана конвекция с температурой +20 оС и коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К), на другой границе также задана конвекция с коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К), но с температурой -30 оС. После необходимых расчетов для опалубки из опилкобетона были получены результаты распределения температуры (рис. 3). Рис. 3. Температурное поле стены с опалубкой из опилкобетона Для стены с материалом опалубки из гиперпрессованного кирпича результаты исследования представлены на рис. 4. Рис. 4. Температурное поле стены с опалубкой из гиперпрессованного кирпича Исходя из полученных данных распределения температуры, была рассчитана плотность теплового потока через данные конструкции по формуле (1). Результаты представлены в табл. 4. Таблица 4 Плотность теплового потока с перегородками и без них Конструкция Плотность теплового потока, Вт/м2 Гиперпрессованный кирпич Опилкобетон Без перегегородок 12,7 10,7 С перегородками 44,2 12,6 Для наглядности плотность теплового потока представлена в виде диаграммы на рис. 5. 50 40 30 20 10 0 Гиперпрессованый кирпич Опилкобетон Без перегородок С перегородками Рис. 5. Диаграмма плотности теплового потока В результате расчетов можно прийти к выводу, что наличие перегородок в блоке из опилкобетона несущественно увеличивает теплопроводность конструкции, она увеличивается на 12 %. Однако для стены с блоками из гиперпрессованного кирпича наличие перегородок увеличивает теплопроводность конструкции в 3,5 раза. 5. Анализ энергоэффективности стены с расположением бетона и утеплителя в шахматном порядке. Наличие перегородок в конструкции стены, как оказалось, может существенно уменьшить ее энергоэффективность, поэтому была рассмотрена стена с шахматным расположением бетона и утеплителя. Было сделано предположение, что благодаря такому расположению путь теплового потока в перегородке должен увеличиться и общая теплопроводность снизится. В данной задаче рассмотрены два варианта стены: с блоками из опилкобетона и блоками из гиперпрессованного кирпича. Материал утеплителя - экструдированный пенополистирол. Размеры стенок опалубки 50 мм. Размеры бетонного ядра: 150×175 мм. Размеры утеплителя: 100×175 мм. На одной границе задана конвекция с температурой +20 оС и коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К), на другой границе также задана конвекция с коэффициентом теплоотдачи 10 Вт/(м2·К), но с температурой -30 оС. В результате расчета получено температурное поле. Для стенки с опилкобетоном оно представлено на рис. 6. Рис. 6. Температурное поле в стене с материалом опалубки из опилкобетона Температурное поле для стенки с опалубкой из гиперпрессованного кирпича представлено на рис. 7. Рис. 7. Распределение температуры в стене из гиперпрессованного кирпича По формуле (1) была найдена плотность теплового потока. Результаты представлены в табл. 5. Таблица 5 Плотность теплового потока Расположение Плотность теплового потока, Вт/м2 Гиперпрессованный кирпич Опилкобетон Обычное 44,2 12,6 Шахматное 44,1 12,7 В результате исследования оказалось, что шахматное расположение бетона и утеплителя не увеличивает энергоэффективность конструкции. Выводы. В результате работы проведено сравнение материалов стены. Выявлено, как различные материалы влияют на теплоэффективность. Также сделаны выводы о том, что перегородки в конструкции стены могут существенно увеличить теплопроводность. При исследовании варианта с шахматным расположением бетона и утеплителя оказалось, что такое расположение не улучшает энергоэффективность.

Об авторах

И. В Бурдышев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. В Казаков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 45

PDF (Russian) - 25

Ссылки

• Ссылки не определены.