Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

С древних времен древесина являлась одним из основных материалов при индивидуальном домостроении. Деревянные дома имеют ряд положительных свойств: экологичность, морозостойкость, долговечность, низкий коэффициент теплопроводности, шумоизоляция.

В настоящее время в нашей стране при строительстве индивидуальных жилых домов стали интенсивно применять каркасно-щитовую технологию домостроения. Данная технология обеспечивает значительную экономию на трудозатратах при изготовлении узлов и монтаже зданий, сокращение сроков строительства, снижение массы зданий, снижение расходов на перевозку конструкций.

Ограждающие конструкции при данном виде строительства перестали нести на себе нагрузку и, следовательно, стали менее массивными. В составе таких ограждений стали использоваться высокопористые материалы с меньшим коэффициентом теплопроводности. Для исследования эффективности применяемых ограждающих конструкций, возведенных по каркасно-щитовой технологии были проведены натурные исследования на одном из вновь возведенных индивидуальных жилых домов. Конструкция наружных стен обследуемого объекта представлена на рис. 1.

Рис. 1. Фрагмент конструкции стены

Деревянные стойки (сосна) сечением 50×150 мм расположены на расстоянии 600 мм друг от друга. Между вертикальными стойками располагаются горизонтальные деревянные бруски (сосна) сечением 50×150 мм. В пролет между стойками укладываются три слоя минеральной ваты плотностью 50 кг/м3, толщиной 50 мм, с коэффициентом теплопроводности равным 0,039 Вт/(м·°С). Укладка производится в шахматном порядке для исключения сквозных швов. С внутренней стороны утеплитель закрывается пароизоляционным слоем марки «Изоспан В». Поверх пароизоляционного слоя к стойкам на саморезы крепятся листы из ориентированно-стружечной плиты (далее ОСП) толщиной 9,5 мм и коэффициентом теплопроводности 0,15 Вт/(м·°С). Внутренняя отделка выполнена гипсокартонными листами толщиной 12,5 мм, с коэффициентом теплопроводности 0,15 Вт/(м·°С). Швы между гипсокартонными листами заполнены шпатлевкой. С наружной стороны утеплитель закрывается ОСП-листами. На ОСП-листы укладывается ветрозащитная пленка марки «Изоспан А». Поверх ветрозащитной пленки в местах расположения вертикальных стоек крепятся вертикальные деревянные бруски (сосна) сечением 50×20 мм, к которым крепится виниловый сайдинг.

Для получения полей температур на внутренних поверхностях ограждающих конструкцие было выполнено тепловизионное обследование в соответствии с [3]. Исследование было проведено в отопительный период, когда температура внутреннего воздуха составляла 22,3 °С, относительная влажность составляла 24,2 %. Температура наружного воздуха на момент обследования составляла минус 8,6 °С. На рис. 2 представлено температурное поле фрагмента стенового ограждения.

Как видно из рис. 2, в местах расположения вертикальных и горизонтальных брусков имеются зоны пониженных температур (до 18,7 °С), что свидетельствует о сниженных теплозащитных свойствах смонтированного ограждения. Зоны пониженных температур в местах расположения деревянных брусков обусловлены тем, что материал брусков имеет непосредственный контакт с внутренней и наружной поверхностями ограждающей конструкции. Иными словами, деревянные бруски выполняют функции мостиков холода шириной 50 мм. Такой температурный режим ограждающих конструкций удовлетворяет требованиям табл. 5 [4] по условию максимального перепада (4 °С) между температурой внутреннего воздуха (22,3 °С) и внутренней поверхности стены (18,7 °С). Следует отметить, что согласно [4] при расчете нормативного сопротивления теплопередаче принимается средняя температура наружного воздуха для периода со среднесуточной температурой не более 8 °С, которая для условий г. Тюмени составляет минус 7,2 °С.

Для сравнения фактических полей распределения температур был выполнен расчет данной конструкции в программе Elcut 6.1. При выполнении расчета, принимая во внимание тот факт, что натурное обследование было выполнено после небольшого промежутка времени после строительства здания, теплопроводность материала дерева была принята равной 0,457 Вт/(м·°С) при влажности материала дерева не более 30 % [5]. Расчетное температурное поле представлено на рис. 3.

Рис. 2. Температурное поле внутренней поверхности стены

Рис. 3. Температурное поле по сечению стены

Сравнительный анализ рис. 2 и 3 показал высокую сходимость расчетных и экспериментальных значений. Значения расчетных температур на внутренней поверхности ограждения были получены при температуре наружного воздуха, равной минус 8,6 °С, и температуре внутреннего воздуха, равной 22,3 °С. При проверке ограждающих конструкций на соблюдение нормируемого температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены,следует обратить внимание на то, что перепад температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены, регламентированный [4], определяется при средней наружной температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. Температура наиболее холодной пятидневки для г. Тюмени составляет минус 35 °С. В связи с этим был выполнен пересчет наиболее низкой температуры на внутренней поверхности ограждения в соответствии с формулой (2) прил. 7 [2] на расчетную наружную температуру минус 35 °С, внутреннюю 20 °С. Также был выполнен расчет распределения температур по сечению ограждающей конструкции. Расчетная температура внутренней поверхности, полученная по формуле (2) прил. 7 [2], составила 13,45 °С. Температурное поле ограждения при температуре наружного воздуха минус 35 °С представлено на рис. 4.

Рис. 4. Температурное поле по сечению стены

Рис. 5. Температурное поле по сечению стены

Как видно из рис. 4, значение температуры внутренней поверхности ограждения в зоне расположения вертикальной стойки и значение температуры, полученной по формуле (2) прил. 7 [2], в достаточной степени сходятся. Анализ температур внутренней поверхности, рассчитанных на условия температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, показал, что температурный режим ограждений не будет удовлетворять нормативным значениям [4] ввиду превышающего перепада температур (7 °С) внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены. При дальнейшей эксплуатации здания, в результате высыхания материала древесины, объемная эксплуатационная влажность для условий г. Тюмени будет не более 12 %. В соответствии с [5] при объемной влажности 12 % и средней плотности материала (сосна обыкновенная) 600 кг/м3 при отрицательных температурах теплопроводность составит 0,292 Вт/(м·°С). Расчетное поле температур при теплопроводности древесины 0,292 Вт/(м·°С) представлено на рис. 5.

В результате проведенных исследований было принято решение оптимизации конструкции таких ограждений. Результаты расчетов различных вариантов ограждений представлены в таблице и на рис. 6.

Как видно из графика, наиболее оптимальным ограждением с теплотехнической точки зрения является конструкция 8 (рис. 7), так как в данной конструкции наблюдается наиболее равномерное распределение температур по внутренней поверхности и соблюдение нормативного перепада температур внутреннего воздуха и внутренней поверхностью стены в соответствии с [4].

Рис. 6. График температур на поверхностях ограждений

Результаты расчета различных вариантов конструкций

Рис. 7. Модернизированная ограждающая конструкция

Из всего вышеизложенного следует, что применяемая конструкция легких ограждений не удовлетворяет требованиям теплотехнических норм для условий г. Тюмени. Теплотехнический расчет таких ограждений необходимо выполнять в условиях наиболее экстремальных отрицательных температур.