Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ ТРЁХСЛОЙНОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области строительства и касается тепловой эффективности ограждающей конструкции здания (наружной стены).

В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам энергосбережения в строительстве. Широкое распространение получили многослойные, в частности трехслойные, наружные ограждающие конструкции зданий.

Например, известна конструкция ОАО "ДСК-1", содержащая внутренний и наружный железобетонный слои и расположенный между ними слой тепловой изоляции, при этом внутренний и наружный слои соединены между собой железобетонными шпонками, фрагмент которой приведен на фотографии фигуры 1.

Недостатком этой конструкции являются нежелательные тепловые потоки между наружным и внутренним слоями, идущие через шпонки, что ухудшает теплотехнические характеристики конструкции, ее сопротивление теплопередаче и теплотехническую однородность.

На фигуре 2 приведена термограмма внутренней поверхности трехслойной железобетонной панели, на которой наблюдается падение температуры, вызванное шпонкой.

Согласно ГОСТ 31310-2005 «Панели стеновые трехслойные железобетонные с эффективным утеплителем» номинальные размеры железобетонных перемычек (шпонок) следует принимать не менее 60 мм. При этом рекомендуется соблюдать условие, согласно которому значение коэффициента теплотехнической однородности панелей, определяемого в соответствии со СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» и учитываемого в расчетах сопротивления теплопередаче, должно быть не менее 0,6.

Авторами выполнено математическое моделирование теплового состояния типичной трехслойной конструкции следующих параметров.

Наружный слой железобетона толщиной 0,07 м, внутренний толщиной 0,1 м. Слой утеплителя (пенополистирол с коэффициентом теплопроводности 0,039 Вт/мК) толщиной 0,15 м. Железобетонная шпонка толщиной 0,06 м, одна на 1 м² стены.

Результаты моделирования показывают, что сопротивление теплопередаче такой конструкции без учета тепловых потоков по шпонкам равно R_O=4,09 м²К/Вт.

Шпонка является теплопроводным включением («мостиком холода») и снижает сопротивление теплопередаче до величины R_O=2,18 м²К/Вт, тогда коэффициент теплотехнической однородности r=2,18/4,09=0,53, что меньше значения этой величины, регламентируемой ГОСТ 31310-2005.

Результаты математического моделирования распределения температурных полей в модели трехслойной конструкции панели представлены на фигуре 3.

Известно также техническое решение по авторскому свидетельству СССР №1392225, согласно которому обеспечивается, в соответствии с описанием, «заданная температура на внутренней поверхности панели».

Однако это техническое решение, основанное на увеличении площади контакта шпонки и внутреннего слоя трехслойной панели, лишь приводит к некоторому уменьшению плотности теплового потока и соответствующему повышению температуры на внутренней поверхности панели, что способствует некоторому повышению коэффициента теплотехнической однородности.

Результаты математического моделирования данного технического решения показывают, что оно приводит к уменьшению плотности теплового потока, проходящего через шпонку, и увеличению коэффициента теплотехнической однородности не более чем на 9%.

Предлагается способ повышения теплотехнической однородности, заключающийся в том, что, с целью предотвращения теплового потока по шпонке, в месте примыкания шпонки к внутреннему несущему слою осуществляется нагрев шпонки мощностью, соответствующей тепловому потоку, проходящему по шпонке.

Авторами выполнено двухмерное математическое моделирование предлагаемого технического решения.

Результаты показывают, что при мощности нагревателя 30 Вт сопротивление теплопередаче на внутренней поверхности образца равно R_O=4,01 м²К/Вт, коэффициент теплотехнической однородности r=4,01/4,09=0,98, что превышает нормируемый показатель.

В графическом виде результаты математического моделирования распределения температурных полей в модели трехслойной железобетонной панели с нагревателем представлены на фигуре 4.

Поскольку разность температур внутренней и наружной стенок ограждения меняется в процессе эксплуатации в зависимости от температуры окружающего воздуха, с целью экономии энергии, мощность нагрева шпонки регулируется по минимизации разности температур в зоне расположения шпонки и вне зоны теплового влияния шпонки.

Устройство для осуществления способа заключается в том, что в месте примыкания шпонки к внутреннему несущему слою расположен нагревательный элемент, например, электрический, мощностью, равной проектному значению максимального теплового потока, соединенный с управляющим его мощностью контроллером, который подключен к датчикам температуры, один из которых установлен в зоне расположения шпонки, а другой в теплотехнически однородной области, на половине расстояния до соседней шпонки.

Устройство поясняется на фигуре 5.

Трехслойная ограждающая конструкция, состоящая из наружного 1 и внутреннего 2 несущих слоев, соединенных шпонкой 3, с расположенным между ними слоем тепловой изоляции 4 снабжена нагревателем 5, например, электрическим, подключенным к контроллеру 6, к которому, в свою очередь, подключены датчики температуры 7 и 8, установленные на внутренней поверхности внутреннего несущего слоя, один из которых расположен в зоне расположения шпонки 3, а другой на половине расстояния до соседней шпонки.

Устройство работает следующим образом.

При включении контроллера 6 последний начинает измерять разность температур между показаниями датчика 7 (более холодного) и датчика 8. Если разность показаний выходит за пределы заданного диапазона, включается на минимальную мощность нагреватель 5, и контроллер увеличивает его мощность до тех пор, пока разность температур по показаниям датчиков 7 и 8 не снизится до заданной уставки, после чего контроллер фиксирует достигнутую мощность. Если из-за изменения температуры наружного воздуха тепловой поток по шпонке изменяется, и разность температур по показаниям датчиков 7 и 8 выходит за пределы заданного диапазона, контроллер 6 соответствующим образом изменяет мощность нагревателя 5 (увеличивает или уменьшает в зависимости от характера изменения температуры наружного воздуха).

На фигуре 6 приведено расчетное подтверждение эффективности работы нагревателя в виде графиков изменения температуры на внутренней поверхности панели в области шпонки и плотности теплового потока при разных значениях мощности нагревателя, регулируемой контроллером по разности температуры между двумя датчиками.

Предлагаемое техническое решение пресекает тепловой поток с теплой стороны и позволяет достичь высокую степень теплотехнической однородности ограждающей конструкции.