Результат интеллектуальной деятельности: Панель для дополнительной теплоизоляции стен

Изобретение относится к области разработки конструкций дополнительной теплоизоляции стен при строительстве и ремонте зданий, предназначенных для уменьшения поступления теплоты из помещения в толщу стены при установке теплоизоляционных панелей внутри помещения или для защиты стен от воздействия неблагоприятных атмосферных процессов при установке панелей с внешней стороны здания.

Известна панель для дополнительной теплоизоляции стен (см. патент РФ № 2235834, МПК Е04В 1/80, опубл. 10.09.2004 г.), содержащая листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели с воздушной прослойкой между ними, при этом конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горения и имеющих низкую теплопроводность, выбранных из группы полиуретановый поропласт для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки для лицевой плоскости, каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получают прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей.

Недостатком является энергоёмкость устранения образования капельной и пленочной конденсации как внутри панели, так и на поверхности стены в местах крепления тыльной поверхности панели при различной плотности воздуха воздушной прослойки из-за непостоянных погодно-климатических условий эксплуатации здания с изменяющейся температурой наружного воздуха.

Известна панель для дополнительной теплоизоляции стен (см. патент РФ № 2466247, МПК Е04В 1/80, опубл. 10.11.2012), содержащая листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели с воздушной прослойкой между ними, при этом конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горения и имеющих низкую теплопроводность, выбранных из группы «полиуретановый поропласт» для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой   для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки - для лицевой плоскости, при этом каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получают прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей, причём листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между собой тыльной и лицевой плоскостями и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены за счёт присоединения к его лицевой поверхности вибратора с приводом и регулятором скорости перемещения, регулятора температуры, соединённого с датчиком температуры воздуха, расположенным внутри панели, при этом регулятор температуры включает блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, а регулятор скорости перемещения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причём крепёжная деталь выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, кроме того, одним концом стержень жёстко соединён с крепёжным каналом в центральной части разграничителя, а другим концом соединён с лицевой плоскостью каждого листа панели как с возможностью свободного соединения, так и жёсткого соединения, причём на тыльной плоскости листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки с противоположным направлением касательных на каждой паре листов панели, при этом на первом листе пары касательная криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а на втором листе данной пары панели касательная криволинейной канавки имеет направление против хода часовой стрелки.

Недостатком, особенно при длительной эксплуатации, является снижение теплоизоляционных параметров конструкции, вследствие «витания» загрязнений в виде твердых частиц, а также мелкодисперсной каплеобразной и парообразной влаги, постоянно находящихся в атмосферном воздухе, который используется в виде вентилируемого потока между тыльной и лицевой плоскостями панели.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных теплофизических параметров ограждающих конструкций и панелей для дополнительной теплоизоляции стен в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации здания путём устранения «витания» частиц загрязнений в воздушной прослойке, что увеличивает коэффициент теплоотдачи по сравнению с чистым воздухом.

Технический результат достигается тем, что панель для дополнительной теплоизоляции стен содержит листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели, с воздушной прослойкой между ними, при этом конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горения и имеющих низкую теплопроводность, выбранных из группы “полиуретановый поропласт” для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки для лицевой плоскости, каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получают прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей, причём листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между собой тыльной и лицевой плоскостями и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены за счёт присоединения к его лицевой поверхности вибратора с приводом и регулятором скорости перемещения, регулятора температуры, соединённого с датчиком температуры воздуха, расположенным внутри панели, при этом регулятор температуры включает блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, а регулятор скорости перемещения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причём крепёжная деталь выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, кроме того, одним концом стержень жёстко соединён с крепёжным каналом в центральной части разграничителя, а другим концом соединён с лицевой плоскостью каждого листа панели как с возможностью свободного соединения, так и жёсткого соединения, причём на тыльной плоскости листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки с противоположным направлением касательных на каждой паре листов панели, при этом на первом листе пары касательная криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а на втором листе данной пары панели касательная криволинейной канавки имеет направление против хода часовой стрелки, при этом регулятор скорости перемещения соединён с регулятором влажности, включающим датчик влажности, расположенный внутри панели, причём регулятор влажности включает блоки задания и сравнения, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, кроме того, магнитный усилитель связан с регулятором перемещения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а датчик влажности соединён с блоком сравнения, при этом кривизна каждой криволинейной канавки выполнена в виде циклоиды как брахистохроны, а полость канавки имеет вид «ласточкина хвоста».

На фиг. 1 изображена принципиальная схема пакета из восьми листов панели для дополнительной теплоизоляции стены здания с девятым листом в центре, соединенным с вибратором, на фиг. 2 – вид А-А на фиг. 1, на фиг. 3 – крепление центрального листа панели с вибратором, на фиг. 4 – тыльная сторона листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук с криволинейными канавками противоположного направления движения касательной, на фиг. 5 – кривизна криволинейной канавки, выполненной с кривизной в виде циклоиды как брахистохроны, на фиг. 6 – профиль криволинейной канавки в виде «ласточкина хвоста».

Конструкция для дополнительной теплоизоляции включает стену 1, панель 2 для дополнительной теплоизоляции, состоящую из лицевой 3 и тыльной 4 плоскостей, между которыми находится воздушная прослойка 5. Тыльная плоскость 4 крепится к стенке 1 известными способами, например прижатием к стене планками, через которые можно ввести в толщу стенки крепежные элементы меньшей длины, чем потребовалось бы в случае прикрепления к стенке собранной панели. Между тыльной 4 и лицевой 3 плоскостями размещены разграничители 6, предназначенные для сохранения минимального воздушного зазора постоянной величины и представляющие собой ребра жесткости 7 с крепежным каналом 8. Листы 9 конструктивно между собой соединены в комплексы, из них восемь листов жестко соединены с разграничителями 6, а лист 10 в центре имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены 1.

Крепежная деталь 11 выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, причем одним концом 12 стержень 11 жестко соединен с крепежным каналом 8 в центральной части разграничителя 6 и другим концом 13 соединен с лицевой плоскостью 3 каждого листа 10 панели 2 как с возможностью свободного горизонтального перемещения посредством гибких связей, например пружины 14 и 15, так и жесткого соединения с лицевой плоскостью 3 листа 9, при этом внутри панели 2 на лицевой плоскости 3 листа 10 свободного горизонтального перемещения расположен вибратор 16.

На тыльной плоскости 4 листов 9 панели 2, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки 17 с противоположным направлением движения касательной на каждой рядом расположенной паре 18 листов 9 панели 2. При этом на первом 19 листе 9 пары 18 панели 2 касательная криволинейной канавки 17 имеет направление по ходу 20 часовой стрелки, а на втором 21 листе 9 данной пары 18 панели 2 касательная криволинейной канавки 17 имеет направление против хода 22 часовой стрелки. Вибратор 16 соединён с приводом 23 посредством регулятора скорости перемещения 24, связанного с регулятором температуры 25, при этом воздушная прослойка 5 посредством датчика температуры 26 соединена с регулятором температуры 25.

Регулятор температуры 25 включает блок задания 27 и блок сравнения 28, соединённый своим выходом с электронным усилителем 29, который связан с блоком нелинейной обратной связи 30. Выход электронного усилителя 29 соединён с входом магнитного усилителя 31, выход 32 которого воздействует на регулятор скорости перемещения 24, выполненный в виде блока порошковых электромагнитных муфт.

Регулятор скорости перемещения 24 связан также с регулятором влажности 33, соединённым с датчиком влажности 34, который расположен в воздушной прослойке 5. Регулятор влажности 33 включает бок задания 35 и блок сравнения 36, который своим выходом соединён с блоком нелинейной обратной связи 38. Выход электронного усилителя 37 соединён с входом магнитного усилителя 39, который своим выходом 40 воздействует на регулятор скорости перемещения 24. Кривизна каждой криволинейной канавки 17 выполнена в виде циклоиды как брахистохроны 41, а полость 42 криволинейной канавки 17 имеет вид «ласточкина хвоста».

Так как атмосферный воздух, используемый в качестве вентилируемого в воздушной прослойке 5, всегда насыщен мелкодисперсной каплеобразной влагой и твердыми частицами пыли и/или технологическими выбросами, то при наличии кривизны 41 криволинейных канавок 17, не обеспечивающей скорейший спуск частиц загрязнений для последующего удаления, наблюдается «витание загрязнений в воздушном потоке. Это обусловлено тем, что твердые мелкодисперсные частицы, медленно перемещаясь в полостях 42, слипаются с мелкодисперсными каплеобразными частицами, укрупняются и закупоривают криволинейные канавки 17. В результате движение загрязнений приводит к выпадению частиц и их витанию в воздушной полости 5, что способствует насыщению вентилируемого воздуха между тыльной 4 и лицевой 5 плоскостями панели 2 и, как следствие, снижению коэффициента теплоотдачи (см., например, стр. 287 Лариков Н.Н. Общая теплотехника. М.: Стройиздат .– 1975 г. - 556 с.). При выполнении кривизны каждой криволинейной канавки 17 в виде циклоиды как брахистохроны 41, обеспечивающей наибольшую скорость перемещения загрязнений, происходит их быстрое перемещение от точки А к точке В под действием силы тяжести и центробежных сил закрученного потока (см., например, стр. 802 Некоторые замечательные кривые / Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике, М.: Наука. 1965г. – 872 с.), что устраняет закупоривание полостей 42.

Кроме того, выполнение полостей 42 в виде «ласточкина хвоста» предохраняет выпадение частиц загрязнений в воздушную прослойку 5, обеспечивая необходимый по теплофизическим условиям теплообмен между лицевой 3 и тыльной 5 плоскостями.

При изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации зданий с панелями для теплоизоляции наружных ограждений, особенно в осенне-зимний и зимне-весенний периоды, когда наблюдается повышенное содержание как мелкодисперсной (дождь, туман, снег), так и парообразной влаги атмосферного или технологического происхождения, в воздушной прослойке между поверхностями как наружных ограждений, так и панелей, перемещается смесь, состоящая из воды разного фазового состояния и воздуха. Наличие указанной смеси не только ухудшает теплозащитные свойства воздушной прослойки, т.к. теплопроводность сухого воздуха 0,0242 Вт/(м⋅К), а теплопроводность воды 0,5514 Вт/(м⋅К), что в смеси приводит к возрастанию теплопроводности в 5÷10 раз в зависимости от соотношения сухого воздуха и мелкодисперсной сконденсировавшейся в процессе охлаждения влаги (см., например, стр. 312. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача]: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1980. 469 с.). Следовательно, наряду с зависимостью от температуры окружающей среды, в полости панелей воздушный поток может изменять влагосодержание за счёт атмосферных осадков, что требует контроля и регулирования концентрации влаги в потоке воздуха, перемещающегося в панелях для дополнительной теплоизоляции стен.

Нормированная скорость вибратора 16 определяется по условию минимизации на привод 23 в зависимости от гостированных теплофизических параметров окружающей среды, например температуры 20°С и относительной влажности 55% без наличия погодных осадков, и определяет расход воздуха, обеспечивающего необходимую теплоизоляцию стен.

В этом случае тепломассообмен в воздушной прослойке панели 2 осуществляется следующим образом.

При наличии мелкодисперсной и парообразной влаги в атмосферном воздухе при размещении панели для дополнительной теплоизоляции с внешней стороны стены 1 здания данная влагопаровоздушная смесь под действием свободной конвенции поступает в воздушную прослойку 5, где конденсирует ее влажная составляющая и в виде пленки конденсата стекает по наружной поверхности стены 1.

В результате не только резко снижаются теплоизоляционные свойства воздушной прослойки 5 (см., например, стр. 181–183, В.Н. Богословский. Строительная теплофизика. М.:, Стройиздат, 1980.- 400 с.), но и ухудшает надёжностные эксплуатационные параметры стены 1 за счет ее увлажнения из-за образования застойных зон неподвижного воздуха в воздушных прослойках 5, что наблюдается при ламинарном движении вентилируемого воздуха за счет свободной конвенции.

Для устранения данного явления предлагается компоновка листов 9 панели 2, например, по девять штук, причем расположенный в центре лист 10 имеет возможность горизонтального перемещения на крепежной детали в виде стержня 11 под воздействием вибратора 16 (см., например, стр. 10 - 27 Вибрационные машины и технологии / С.Ф. Яцун [и др.]. Изд. «Элм», 2006. 408 с.). В этом случае в воздушной прослойке 5 наблюдается пульсирующее перемещение атмосферного воздуха, находящегося между тыльной 4 и лицевой 3 плоскостями листа 10.

При повышении влажности воздуха окружающей среды, используемого в качестве перемещающегося потока в воздушной прослойке 5 панели 2, например, при наличии атмосферных осадков в виде дождя, тумана, снега или выбросов технологической влаги, датчик влажности 34 фиксирует это повышение и сигнал, поступающий в регулятор влажности 33, становится меньшим, чем сигнал блока задания, в результате чего и на выходе блока сравнения 36 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 37 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 38.

Сигнал с выхода электронного усилителя 37 поступает на вход магнитного усилителя 39, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает через выход 40 на регулятор скорости перемещения 24 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 37 вызывает повышение тока на выходе возбуждения на выходе 40 магнитного усилителя 39, в результате чего увеличивается момент от привода 23 на вибратор 16, увеличивая массовое количество воздуха, перемещаемого в воздушной прослойке 5 панели 2.

В результате усиленный воздушный поток срывает налипающие на элементы панели каплеобразные частицы влаги, поступающей как с вентилируемым воздухом, так и конденсирующейся из пара по мере перемещения по тыльной плоскости 4 панели 2 у стены 1. Это в конечном итоге предотвращает увлажнение наружных строительных конструкций в целом. Возросший расход воздуха интенсифицирует прочес испарения влаги со снижением температуры в воздушной прослойке 5 (см., например, стр. 257, Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергия, 1981. 417 с.).

При снижении температуры воздуха в воздушной прослойке 5 и соответственно повышении его плотности, что приводит к увеличению массового количества перемещаемого листом 10 воздуха, датчик температуры 26 фиксирует снижение температур воздуха относительно заданной по климатическим условиям эксплуатации здания (СНиП 2.04.05-91) и сигнал, поступающий в регулятор температур 25, становится большим, чем сигнал блока задания 27, и на выходе блока сравнения 28 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 29 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 30.

Сигнал с выхода электронного усилителя 29 поступает на вход магнитного усилителя 31, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает через выход 32 на регулятор скорости перемещения 24 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 29 вызывает снижение тока возбуждения на выходе 32 магнитного усилителя 31, в результате уменьшается момент от привода 23 на вибратор 16, снижая массовое количество воздуха, перемещаемого в воздушной прослойке 5 панели 2.

Тем самым достигается снижение энергозатрат на привод 23 вибратора 16 при обеспечении по условиям нормированной теплоизоляции стен необходимого расхода пульсирующего перемещающегося в воздушной прослойке 5 атмосферного воздуха.

В результате образуются волны, поперечно перемещающиеся в воздушных полостях 5 листов 9, и возмущающий поток воздуха, перемещающийся по криволинейным канавкам 17 панели  2. Криволинейные канавки 17 выполнены на тыльной плоскости листов 9 таким образом, что воздушный пограничный слой потока атмосферного воздуха перемещается, например, на одном листе 9 пары 18 по ходу 20 часовой стрелки, а на втором 21 листе 9 данной пары 18 атмосферный воздух перемещается против хода 22 часовой стрелки.

Тогда на границе листа 9 и листа 10 образуется завихрение противоположного направления. Это приводит к микровзрывам, интенсифицирующим теплообмен атмосферного воздуха в воздушной прослойке (см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. М.: Машиностроение, 1979. 386 с.).

Кроме того, перемещение под действием свободной конвенции по соседним воздушным прослойкам 5 листов 9, которые скомпонованы рядом с листом 10, приводит к турбулизации пограничного слоя воздуха, контактирующего с тыльной 4 плоскостью панели 2 у стены 1, то есть ликвидируются застойные воздушные зоны, а это и ускоряет образование конденсатной пленки на поверхности стены 1.

Как следствие данного теплообмена, обеспечивается существенная экономия энергоресурсов, необходимых как для отопления помещений здания, покрытого панелью, скомпонованной из листов с жесткой и гибкой связями тыльной и лицевой поверхностями, так и для поддержания надежной эксплуатации строительных конструкций зданий путем устранения их увлажнения при изменяющемся погодно-климатическом воздействии.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение кривизны каждой криволинейной канавки по линии циклоиды как брахистохроны обеспечивает кратчайшее время спуска загрязнений, что устраняет наряду с выполнением их профиля в виде « ласточкина хвоста» возможность закупоривания с последующим выпадением укрупненных частиц в воздушную прослойку, В результате достигается длительное поддержание нормированных теплозащитных свойств панели для дополнительной теплоизоляции стен в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации.