Инженерно-экологические проблемы энергосбережения в

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
Инженерно-экологические
проблемы энергосбережения
в строительстве и ЖКХ
Сборник научных трудов
№1
Томск
Издательство ТГАСУ
2013
УДК 69.003:620.9-044.57
ББК 38.6:31.19
Инженерно-экологические проблемы энергосбережения
в строительстве и ЖКХ: сборник научных трудов № 1 / под общ.
ред. Н.А. Цветкова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та,
2013. – 120 с.
ISBN 978-5-93057-518-7
В сборник включены доклады ученых по результатам исследований
2011–2012 гг. и доклады производственников по результатам практики реализации
энергосберегающих технологий.
Сборник составлен по материалам научно-практических семинаров «Энергосбережение и энергосберегающие технологии» в г. Асино (20 октября 2011 г.)
и в г. Северске (18–28 февраля 2013 г.), представляет интерес для специалистов
в области энергосбережения в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве,
а также в качестве учебного пособия для преподавателей и студентов вузов.
РЕДКОЛЛЕГИЯ:
А.В. Цхе
А.Н. Козлобродов
Е.Ю. Курочкин
Д.В. Лычагин
Т.Н. Немова
К.Д. Трофимов
Н.А. Цветков
– проректор по НР ТГАСУ
– профессор ТГАСУ
– декан ИЭФ ТГАСУ
– профессор ТГАСУ
– профессор ТГАСУ
– профессор ТГАСУ (составитель)
– зав. каф. «Теплогазоснабжение»,
профессор ТГАСУ (редактор издания)
Подписано в печать 16.04.2013.
Формат 60×84/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. 6,98. Уч.-изд. л. 6,32. Тираж 200 экз. Зак. № 142.
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
ISBN 978-5-93057-518-7
© Томский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2013
2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Введение
Проблема энергосбережения. В.А. Сорокин
Актуальные вопросы энергосбережения в бюджетной
сфере. Ю.А. Краснятов, К.Д.Трофимов, А.В.Трофимов
О роли тепловидения в энергетическом обследовании
строительных сооружений В.П. Вавилов, К.Д. Трофимов
Энергоэфективные строительные материалы.
С. А. Лукьянчиков
Некоторые разработки энергоэффективных конструкций
стен для малоэтажного строительства.
Н.А. Цветков, А.В. Колесникова, Д.Н. Цветков, А.Г. Козырев
Влияние увлажнения теплоизоляции на тепловые потери
в сетях теплоснабжения. Ю.А. Воронина, Т.Н. Немова,
К.Д. Трофимов
Системы водоподготовки и очистки сточных вод в малоэтажном строительстве. Е.Ю. Курочкин, Е.А. Кирейкина
Современное моделирование теплового состояния
в пространственных ограждающих конструкциях.
А.Н. Козлобродов, Иванова Е.А.
Новая технология строительства «БИЗОН». Ю.В. Шефер,
А.Н. Лихачев, С.А. Лукьянчиков
Плазменная обработка древесины в технологии создания
утепленного бруса. Н.А. Цветков, Г.Г. Волокитин,
О.Г. Волокитин, Н.А. Гиллих, А.Г. Козырев
Инновационные строительные материалы и технологии
для дорожного строительства. В.Н. Веник
Тепловые насосы. Г.В. Гранин, А.В.Гранин
Восстановление работоспособности артезианских скважин
А.И. Кармалов, Е.Ю. Курочкин, Д.А. Кармалова,
Система диспетчерского контроля параметров
теплопотребления объектами ТГАСУ. Н.А. Цветков,
Ю.О. Кривошеин, А.В. Одинцов, О.Ю. Кривошеин
Пенополистирол – материал, захватывающий своим
совершенством. Ю.Г. Юрьев
3
4
6
9
10
13
23
26
41
49
55
77
82
90
92
101
106
116
ПРЕДИСЛОВИЕ
Выездные научно-практические семинары, организуемые сообществом учёных за пределами регионального центра, в соседних городах и районных центрах – событие для них чрезвычайно важное и полезное. Это связано с тем, что высокоразвитый научный потенциал
г. Томска, постоянно увеличивается, в том числе за счёт возрастающего
числа международных, региональных и прочих научных мероприятий.
Все они имеют не только просвещенческую направленность, но и направлены на поиск потребителя научных исследований в какой-либо
сегмент жизнедеятельности общества. Городская цивилизация «купается» в научных разработках, архивирует их, получая информацию из
уст исследователей. А нуждаются ли в научной информации, инновационных проектах и технологиях, материалах и т. п. специалисты, постоянно проживающие в поселениях сельской местности? Ведь немало
научных исследований, готовых для реализации, применимы не только
в городе, но и в поселениях сельской местности.
Таким вопросом задался автор этого предисловия, побывав
в аудиториях с лекциями для инженерно-технических работников,
ответственных за энергосбережение и безопасную эксплуатацию тепловых энергоустановок, в том числе и в сельской местности. Из профессионального диалога становилось ясно, что назрела потребность
организации выездных научно-практических семинаров (НПС) на
территории районов области. В таких семинарах нуждаются десятки
технических специалистов, менеджеров, бизнесменов, руководителей
и специалистов администраций муниципальных образований.
Идея по проведению научно-практических семинаров в районных центрах области принадлежит профессору ТГАСУ К.Д. Трофимову. Его поддержал ряд учёных Томского государственного архитектурно-строительного и Национального исследовательского Томского политехнического университетов. В основу встреч ученых
с работниками администраций и предприятий были положены презентации последних научных разработок по вопросам энергосбережения. Идею одобрили глава администрации Асиновского района
В.А. Сорокин, заместитель главы администрации ЗАТО Северск
А.И. Парфененко и начальник УЖКХ ТиС г. Северска С.А. Лашевич,
начальник отдела энергосбережения и энергоэффективности Админи-
4
страции Томской области Н.В. Шереметьева, проректора ТГАСУ по
науке А.В. Цхе.
Эти же руководители согласовали программу семинаров и состав
участников. Несмотря на то, что в России 2011 и 2012 годы были насыщены научными форумами по энергоэффективности и энергосбережению, сформированное направление семинаров «Инженерно-экологические проблемы энергосбережения в строительстве и ЖКХ» оказалось
чрезвычайно востребованным в городах и сельских поселениях Томской области. Такой семинар, собравший работников администраций
и специалистов поселений всего Асиновского района в г. Асино, был
проведен 20 октября 2011 года. В феврале – марте 2013 года в г. Северске проведен аналогичный двухнедельный семинар.
В презентации докладчиков на этих семинарах были включены:
актуальные проблемы энергосбережения в учреждениях бюджетной
сферы и пути их решения; энергоэффективные строительные материалы и ограждающие конструкции стен в малоэтажном строительстве; деструктивные процессы теплоизоляции при насыщении водой;
использование низкопотенциальной энергии грунта (тепловые насосы) в индивидуальном строительстве; всепогодное асфальтирование
автомобильных дорог; опыт использования тепловидения при инспекции теплозащиты строительных сооружений; применение технологии плазменной обработки древесины в получении утепленных
деревянных сортиментов; реставрация артезианских скважин; демонстрация современных компьютерных программ при расчетах теплозащиты строительных сооружений; опыт создания и эксплуатации
системы диспетчерского контроля параметров и управления процессом теплопотребления объектами ТГАСУ и ряд других вопросов
и проблем энергоресурсосбережения.
Содержание научно-практических семинаров включало не только изложение сути последних достижений учёных, востребованных
при решении назревших технических проблем энергосбережения
в сельском районе, но и практические советы участникам семинара
в рамках вышеназванных тем.
Все это нашло отражение в публикациях, помещенных в первом
номере сборника.
К.Д. Трофимов – к.т.н., профессор
каф. «Теплогазоснабжение» ТГАСУ
5
ВВЕДЕНИЕ
За последние годы в России существенно расширена и углублена нормативная база, связанная с энергосбережением и повышением
энергетической эффективности, поскольку решение этих вопросов,
в связи с непрерывным ростом цен на энергоресурсы, касается всех
наших граждан.
Принят и выполняется закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении
и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от
23 ноября 2009 года. В ближайшее время в соответствии с этим законом должны быть установлены приборы учета потребляемой тепловой
энергии на каждом здании и завершены энергетические обследования.
Реализуется закон «О теплоснабжении» № 190-ФЗ, принятый
Государственной думой РФ и вступивший в силу 27 июля 210 года.
Этот закон предусматривает серьезную реконструкцию источников
и сетей теплоснабжения. Активно в городах и сельских населенных
пунктах разрабатываются проекты развития систем теплоснабжения
на перспективу до 2028 года.
Разработана и реализуется государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической
эффективности на период до 2020 года», которая утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря
2010 г. № 2446-р. За счет реализации мероприятий Программы: будет
обеспечение снижения энергоемкости валового внутреннего продукта
на 13,5 % за весь срок реализации Программы; получена годовая экономия первичной энергии в объеме не менее 100 млн. тонн условного
топлива (к 2016 году) и 195 млн тонн условного топлива к концу реализации Программы (к концу 2020 года); приложены значительные
усилия для формирования в России энергоэффективного общества.
Программа предусматривает проведение серьезной работы по информированию населения. Предполагается выделение денег на разработку обучающих программ в школах, ВУЗах, создание учебников, проведении различных конкурсов.
Реализуется принятая «Программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности на территории Томской области на перспективу до 2020 года», которая предусматривает снижение
6
энергоемкости валового внутреннего продукта Томской области на
40 % по отношению к 2007-му году. Стоимость мероприятий программы – 197,5 млрд руб. Согласно этому документу, за десять лет
потребление тепловой энергии в областном ЖКХ должно сократиться
по сравнению с 2009 годом в 1,5 раза, воды из подземных источников – в 1,6 раза, энергоресурсов в бюджетных учреждениях – в 1,6.
При новом строительстве, а также ремонте жилых домов и зданий
намечено широкое внедрение энергосберегающих материалов и оборудования. Все мероприятия в программе сгруппированы по двум
направлениям: организационные и технические.
Выполняя принятый закон «Об энергосбережении…» в Томской области, практически все организации бюджетной сферы – школы, больницы, учреждения культуры и т. д. оснащены приборами
учета электроэнергии, тепла и воды. Завершаются обязательные энергетические обследования и разработка программ энергосбережения,
включая каждое поселение. Создана та исходная база, на основе которой необходимо активно начинать реализацию в масштабах своего
бюджетного учреждения, своего предприятия всех запланированных
энергосберегающих мероприятий.
С другой стороны, нам хорошо известно, что без серьезной работы над повышением уровня занятых в этой области специалистов и
воспитания населения решение этой сложной задачи обречено на
провал. Поэтому энергосбережение должно стать образом жизни
каждого человека в России, по примеру энергетически развитых
стран. Человек должен понимать, что, неся затраты на энергосбережение, он повышает стоимость своего имущества. Для этого в регионе есть огромные резервы, начиная с использования более эффективных технологий в промышленности – улучшения теплоизоляции объектов недвижимости, модернизации теплосетей и газопроводов, применения комбинированной выработки электроэнергии и тепла и многое другое. Экономно расходовать энергетические ресурсы – значит
научиться при тех же возможностях удовлетворять больше потребностей, что несомненно будет улучшать качество нашей жизни.
Закон об энергосбережении обязывает буквально всех – представителей власти (в первую очередь), ученых, производственников,
потребителей. В одном из выступлений на заданную тему заместитель губернатора Томской области (ныне спикер Законодательного
7
собрания Томской области) Оксана Козловская отметила, что необходимо оценивать работу специалистов по тому, как они могут квалифицированно предоставить услугу в области энергосбережения, поэтому для начала нужно организовать хотя бы краткосрочные семинары в области энергосбережения и энергоэффективности не только
для работников областной администрации и муниципалитетов, но
и для широкого круга специалистов.
Существенно возросла и роль ученых, от которых сегодня страна ждет инновационных разработок и решений, в том числе по проблемам энергосбережения и повышения энергоэффективности, а население и организации – четких и независимых рекомендаций, что
действительно эффективно в том или ином случае, а что нет.
Более 40 % всего добываемого топлива в России расходуется на
цели отопления, горячее водоснабжение, вентиляцию и кондиционирование воздуха, электроснабжение зданий. Потенциал энергосбережения в этой сфере потребления энергетических ресурсов самый
большой. Поэтому ученые и специалисты Томского государственного
архитектурно-строительного университета, как вуза, расположенного
на самой северной широте среди вузов подобного профиля, самым
активным образом ведут фундаментальные и прикладные исследования, разрабатывают и предлагают реализованные, в том числе в собственном вузе свои инновационные разработки в области энергоресурсосбережения.
Организованные учеными ТГАСУ в городах Асино и Северск
научно-практические семинары по энергосбережению присутствующие слушатели оценивают как своевременные, важные и полезные.
В настоящий сборник включены материалы докладов из программ этих семинаров, которые будут полезны широкому кругу специалистов и студентам.
Н.А. Цветков, д.т.н., профессор,
зав. каф. «Теплогазоснабжение» ТГАСУ
К.Д. Трофимов – к.т.н., профессор
каф. «Теплогазоснабжение» ТГАСУ
8
ПРОБЛЕМА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
В.А. Сорокин, Глава Администрации Асиновского района
Мероприятия, направленные на решение задач по снижению
потребления энергоресурсов в бюджетной сфере, могут быть реализованы только в случае их качественной информационной поддержки. Лимитирование энергопотребления и стимулирование к энерго- и
ресурсосбережению приведут к реальному снижению их потребления
только в случае выполнения нескольких обязательных условий:
• информационное обеспечение руководителей, ответственных
за принятие стратегических и инвестиционных решений;
• информации о наличии энергосберегающих технологий и
возможности их применения в районе;
• наличие плана мероприятий по энергосбережению и сроки их
проведения;
• наличие
квалифицированного
персонала
в
области
энергосбережения.
Понимая, что лица, ответственные за потребление ресурсов в
организациях бюджетной сферы (директора школ, главные врачи и
т.д.), имеют представление об энерго- и ресурсосбережении на бытовом уровне, для них важную роль играет организация курсов повышения квалификации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности». Проведение обучения руководящих и ответственных работников объектов энергообеспечения, жилищнокоммунальной сферы, строительного комплекса, работников бюджетной сферы и т.д. позволяет достичь следующих целей:
• научить руководителей учреждений бюджетной и жилищной
сферы использовать различные финансовые механизмы для
реализации мероприятий по энергосбережению;
• научить
специалистов
самостоятельно
внедрять
и
разрабатывать мероприятия по энергосбережению.
Подготовка, переподготовка, повышение квалификации специалистов в области энергосбережения, энергетической и экологической энергетической эффективности должна проводиться только квалифицированными специалистами, поэтому Администрация Асинов-
9
ского района пригласила к сотрудничеству в обучении руководителей и специалистов муниципальных образований и бюджетных организаций по программе научно-практического семинара на тему: «Федеральный закон от 23 ноября 2009 №261-ФЗ «Об энергосбережении
и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» профессорский состав Томского государственного архитектурностроительного университета. В рамках вышеуказанного закона данное обучение очень своевременно и необходимо. В ходе обучения
будут освещены актуальные проблемы энергосбережения и пути их
решения, представлена информация о современных разработках энергоэффективных строительных материалов, ограждающих конструкций зданий и архитектурно-строительных систем и др.
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В
БЮДЖЕТНОЙ СФЕРЕ
Ю.А. Краснятов, доцент ТПУ, К.Д. Трофимов, профессор ТГАСУ,
А.В. Трофимов, магистрант ТГАСУ
Ввиду быстрого увеличения цен на энергоносители, затраты на
них в бюджетной сфере выросли многократно. Тенденция к дальнейшему повышению энергетических тарифов в ближайшей перспективе
сохранится.
Федеральным законом №261-ФЗ «Об энергосбережении…»
предусматривается задание муниципальным учреждением по снижению ежегодно, в течение пяти лет, потребления энергетических ресурсов на 3%. Также Федеральный закон обязывал до 1 января 2011
года оснастить приборами учёта здания, строения, сооружения, а до 1
января 2012 года – многоквартирные дома. Возможно, Сроки будет
скорректированы, такие задачи стоят. Государство принимает необходимые меры для снижения стоимости приборов учёта и создания
механизмов стимуляции. Без приборов учета немыслимо говорить об
энергоэффективности и энергосбережении.
До 31 декабря 2012 года должны быть проведены энергетические обследования и составлены энергетические паспорта на энерго-
10
потребляющие объекты: органов государственной власти и местного
самоуправления, организаций с участием государства и муниципального образования, организаций, осуществляющих регулируемые виды
деятельности и организаций, совокупные затраты на потребление
энергетических ресурсов которых превышает 10 млн. руб. в год. Поэтому для многих руководителей районов, поселений, объектов социальной сферы (школы, детские сады, больницы) и объектов сферы
ЖКХ (общежития, жилые дома) наступает очень ответственная пора.
Однако существуют серьёзные проблемы, связанные с исполнением
требований выше указанного Федерального Закона ввиду большого
количества объектов, подлежащих обследованию, несовершенству
энергетического паспорта и пояснительной записки; качества проведения обследований и анализа их результатов, финансирования работ.
Создание энергетического паспорта является необходимым
условием для реализации энергоэффективных мероприятий. Без энергетического паспорта, получаемого по результатам энергообследования, ни энергосервис, ни любое другое мероприятие просто станут
недействительными, т.к. это невозможно в отсутствие базы. Реализация мероприятий, составленных на основе энергетических обследований, требует совокупных решений: наличие подготовленных кадров, технических средств и инновационных технологий, надёжный
источник финансирования, возможность поиска на рынке услуг своего региона энергоаудиторских и энергосервисных компаний, способных обеспечить выполнение энергосберегающих мероприятий.
Много проблем возникает при составлении отчётной документации.
В настоящее время оформление результатов энергетического
обследования регламентируется рядом документов, в частности, постановлением Правительства РФ №19 от 25.01.2011г. «Об утверждении положения о требованиях, предъявляемых к сбору, обработке,
систематизации, анализу и использованию данных энергетических
паспортов». Форма энергетического паспорта утверждена Приказом
Минэнерго №182 от 19 апреля 2010 года.
Основная проблема заключается в том, что в качестве типового
энергетического паспорта приведена форма для промышленного объекта. Применение данной формы при энергоаудите объектов социальной сферы вызывает определённые сложности, связанные со сбором информации сверх необходимой. Это разрешимо путём дополни-
11
тельного согласования, что ведёт к увеличению сроков проведения
работ и их стоимости. В рамках работы специально созданной группы
при Минэнерго готовится документ, позволяющий при проведении
энергетического обследования заполнять только формы, имеющие
непосредственное отношение к специфике объекта
Кроме того, эта же группа планирует разработать форму паспорта для энергоаудитов объектов бюджетной сферы, имеющих небольшое потребление энергетических ресурсов по объёмам и в денежном выражении. Разработка и утверждение данной формы позволит сократить время проведения обследований и снизить их стоимость.
Качество проведения энергетических обследований.
На форумах России в 2011 году, посвящённых практике и качеству энергетических обследований, было немало критических замечаний в адрес энергоаудиторских фирм – молодого бизнессообщества, численность которых стала превышать реальную потребность рынка, особенно его финансовую обеспеченность.
При возникшей ситуации, стремясь к получению доходов через
ускоренные темпы работ, отчётная документация заполняется «под
копирку», без учёта специфики конкретных объектов. Предлагаемые
энергосберегающие мероприятия не всегда подходят к обследованному объекту. В мероприятиях встречались факты, противоречащие
инженерной логике. Например, встречались энергоаудиторы, которые
рекомендовали установку регуляторов тепловой энергии с целью
снижения температур, при фактическом недотопе.
За полноту и правильность оформления документации по Закону отвечают исполнители и соответствующие саморегулируемые организации, иногда допускающие случаи приёмки работ по формальным признакам.
Сегодня для хозяйствующих субъектов по-прежнему актуальны
вопросы выбора энергоаудитора, стоимости обследования, вопрос
разницы цен на услуги фирм, вопрос денежных инвестиций на модернизацию. Это далеко не полный перечень вопросов, которые можно услышать на форумах по тематике «энергосбережение».
Ответы на возникающие вопросы необходимо искать в системном подходе, начиная с создания и обучения профессиональных кадров их неформальной аттестации. Проблемы решаются в региональ-
12
ных центрах по энергосбережению, в технических ВУЗах. Существенную помощь могут оказать Департамент экономики области, в составе которого работает отдел энергоэффективности и энергосбережения, обладающий всем комплексом информации, необходимой для
создания действенных организационных, технических и финансовых
механизмов по реализации на местах Федерального Закона №261 –
ФЗ «Об энергосбережении…».
Повышение компетентности персонала (обучающие семинары
и тренинги, конференции и симпозиумы) – есть составляющие корпоративной культуры компании, являются одним из слагаемых успешного бизнеса.
О РОЛИ ТЕПЛОВИДЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ
ОБСЛЕДОВАНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.П. Вавилов, профессор ТПУ, К.Д. Трофимов, профессор ТГАСУ
Для практикующих специалистов-теплотехников, энергетиков,
потребителей тепловой энергии жилищно-коммунальной сферы и
других субъектов экономики, вопрос качества теплозащиты оболочек
сооружений, работоспособности систем отопления являются всегда
актуальными. В условиях низких температур наружного воздуха прогрессирует некомфортное состояние живых организмов (человека).
Особенно много неприятностей у потребителей теплоты при сниженных параметрах теплоносителя в системах отопления. Промерзание
стен и оконных заполнений в жилых помещениях – события наиболее
вероятные; следовательно, микроклимат в помещениях, как правило,
не соответствует санитарным требованиям.
Ответы на многие возникшие вопросы, связанные с теплозащитой или теплоснабжением строительного сооружения может дать тепловизионная инспекция строительного сооружения в комплексе с
обследованием работоспособности элементов теплопотребляющих
систем. Этот комплекс работ относится, как к процессам эксплуатации, так и к энергетическому обследованию зданий и сооружений в
соответствии современных требований Закона РФ №261 ФЗ от
23.11.2009 г.
13
В последнее десятилетие в практике анализа качества теплозащиты строительного сооружения широко используется тепловидение, как уникальный метод неразрушающего контроля [1, 2].
Этот способ позволяет особыми приборами - ТЕПЛОВИЗОРОМ или ПИРОМЕТРОМ провести сканирование тепловых (температурных) полей исследуемого объекта, визуализировать и реально
оценить качество теплозащиты конструкции или элемента инженерной (теплопотребляющей) системы, выявить скрытые дефекты теплозащиты или мостики холода.
Для лучшего понимания рассматриваемой темы дадим некоторые пояснения.
ДЕФЕКТ – (лат. изъян, недостаток, недочет).
ДЕФЕКТНЫЙ – имеющий изъян.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ – (лат. недостаток + скопия).
ТЕРМОГРАММА – тепловое (инфракрасное) изображение объекта контроля или его отдельного участка.
ТЕПЛОВИДЕНИЕ – это научно-техническое направление, изучающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие
возможность наблюдения слабо нагретых объектов, главным образом
по их тепловому излучению в ИК (инфракрасной) области спектра
путем преобразования невидимого глазом человека излучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической
обработке, а затем вновь преобразуется в видимое излучениеизображение объекта для его визуального обнаружения и распознания, благодаря проявлению электромагнитному спектру.
В твёрдых телах, жидкостях и газах при температуре выше абсолютного нуля возникает электромагнитное (тепловое или инфракрасное) излучение, обусловленное колебаниями атомов в кристаллической решетке или вращательно-колебательным движением молекул.
Выделяют три участка ИК спектра: коротковолновый (ближняя
область), равный 0,76…1,4 мкм, средневолновый (средняя область),
равный 1,4…3,0 мкм, длинноволновый (дальняя область), равный
3,0…1000 мкм.
Человеческий глаз регистрирует свет 0,38…0,78 мкм.
14
В тепловом контроле используют длины волн 1,5…14,0 мкм,
что соответствует максимуму излучения большинства промышленных и строительных объектов.
Характерные особенности применения в ИК диагностике тепловизора: дистанционность; высокая скорость обработки информации, обусловленная малым временем преобразования носителя информации в электрический сигнал и передача его на регистрирующий
прибор. В диагностике строительных объектов, как правило, регистрируются температурные поля при стационарном (установившемся)
режиме теплообмена, в результате чего на термограмме четко проявляются аномалии температурного поля в местах потенциальных дефектов.
Наружные ограждения любых зданий должны предохранять
помещения от непосредственных атмосферных воздействий с целью
создания комфортных условий для человека или оптимальных для
технологического процесса.
Тепловой режим помещения характеризуется температурой
воздуха Тв, оС, его влажностью и температурой внутренних поверхностей Твп, оС, считается комфортным, если соблюдаются первое и второе условия комфортности.
По первому условию комфортности поддерживается такой температурный режим в помещении (Тв, Твп, оС), при котором человек,
находясь в середине помещения, не испытывает перегрева или переохлаждения.
В холодный период при спокойном состоянии человека Тп=23
о
С, при лёгкой работе – Тп=21 оС, при умеренной работе Тп=18,5 оС.
Условие комфортности температурной обстановки определяет допустимые температуры нагретых и охлаждённых поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости к ним.
Расчётные значения Тв определяются назначением помещений:
в жилых помещениях при температуре наружного воздуха (холодной
пятидневки) ниже -31 оС Тв=20 оС (при одной наружной стене в помещении), 22 оС – при двух наружных стенах в помещении; на лестничной клетке Тв=16 оС; на кухне Тв=18 оС.
На практике, несмотря на, казалось бы, добросовестно исполненный проект, после ввода в действие строительного сооружения,
его температурно-влажностный режим и иные эксплуатационные ка-
15
чества часто не соответствуют запроектированным параметрам. При
серьёзных отклонениях от нормативных теплофизических требований
появляется много проблем. Перед специалистами в этом случае всегда ставится задача: разобраться в причинах отклонения от проектного термовлажностного режима в помещениях.
Авторы этой статьи хорошо знают истоки и актуальность затронутой проблематики, способы устранения отклонений от нормативных требований. В мировой практике строительная тепловизионная диагностика используется с 60-х годов прошлого столетия. В силу
климатических особенностей и дефицита энергоресурсов Скандинавия, Финляндия, Канада явились первыми странами, где тепловидение нашло применение. Начало внедрения этого метода в России
также датируется 60-ми годами, главным образом во ВНИИ строительной физики и в некоторых других организациях. Проводились
научные исследования и практические осмотры ограждающих конструкций, дымовых труб и других объектов. Большого распространения
эти работы, обобщенные в монографии [3], не получили из за высокой стоимости импортных тепловизоров и низкого качества отечественных приборов. Однако социальная сфера, в первую очередь жилищная, нуждалась всегда в дистанционном неразрушающем контроле качества теплозащиты отапливаемых зданий.
Реальная обстановка, с массовыми проявлениями дискомфортного микроклимата в жилых помещениях, в дошкольных и других
учреждениях, требовала неотложных мер по определению качества
теплозащиты объектов. Инженерная служба предприятия жилищного хозяйства г. Северска Томской области под руководством главного инженера, после многочисленных поисков эффективных средств
оценки качества теплозащиты ограждающих конструкций, остановилась на использовании тепловидения. Это произошло в первой половине 90-х годов благодаря содружеству авторов этой статьи и входящих в состав творческой группы термографистов из НИИ Оптики атмосферы и НИИ Интроскопии ТПУ.
Вначале работы велись на уровне эксперимента с выездом на
реальные объекты стройплощадок. Однако успех перехода от лабораторных принципов обследования теплозащиты объекта к широкому
внедрению тепловидения в производство обеспечила фирма «ИННОВАЦИЯ» (Н.М. Вавилова), предоставившая в наше распоряжение
16
портативный современный импортный тепловизор. Стало очевидным,
что ИК термография позволяет в реальном времени выявить дефекты
теплозащиты, скрытые при визуальном обследовании здания. В дальнейшем помогает оперативно принять оптимальное решение, значительно сократить затраты на ремонт в ближайшей или удалённой перспективе.
В данной публикации не затрагиваются методика количественной оценки теплофизических характеристик строительных сооружений, таких как сопротивление теплопередачи, тепловые потери и т.д.
(это особая, важная тема), хотя соответствующая обработка данных
съёмки позволяет рассчитать средние и локальные потери тепла как
на момент обследования, так и средние за отопительный сезон.
Многолетняя практика качественной оценки состояния теплозащиты обследуемых тепловизором строительных сооружений и зданий в г. Северске (г. Томске) подтвердила достоверность и актуальность применяемого метода. В ограждающих конструкциях обнаруживаются такие дефекты, как протечки воздуха (инфильтрация, эксфильтрация), мостики холода и существенные локальные изменения
сопротивления теплопередачи. Протечки характерны для угловых и
температурных швов зданий, особенно в крупнопанельном исполнении, оконных проёмов, под балконными плитами и козырьками и т.д.
На одном из первых обследуемых жилых домов, готовых к сдаче в
эксплуатацию, во время сканирования авторы обнаружили вертикальный межпанельный шов на всю высоту здания без утеплителя,
замаскированный строительным раствором под цветовую окраску
фасада.
При осмотре этого дефекта со стороны помещений выявили
промерзание стен в местах вышеуказанного стыка. Строителям пришлось вскрыть обнаруженный дефектный шов. Удостоверившись в
выводах и предложениях термографистов, строителям пришлось
срочно утеплять, избегая конфликта. При повторной тепловизионной
съёмке, после ремонта шва, термограмма соответствовала нормальной теплозащите. Инцидент оказался очень поучительным для всех
участников строительства. Метод тепловизионного обследования
стал обязательной процедурой при приёмке от строителей объектов в
эксплуатацию. Для этого глава администрации г. Северска издал спе-
17
циальное постановление «Об обязательном тепловизионном обследовании строительных объектов, подлежащих сдаче в эксплуатацию».
Тактически полезно осуществить инспекцию теплозащиты до
подписания акта приёмки объекта в эксплуатацию, если речь идёт о
новом здании. Тогда реакция строителей более продуктивна в части
устранения выявленных дефектов. Как показал опыт, повышается и
качество строительно-монтажных работ, и качество проектирования.
Однако чтобы всё это внедрить в жизнь, требуется очень много усилий для преодоления противоборствующих сил. Они всегда присутствуют. В случае успеха резко сокращается число обращений заселившихся жителей на погрешности в строительстве.
Кроме того, при тепловизионной инспекции качества теплозащиты строительного сооружения, выполненного из стеновых панелей
крупнопанельного домостроения, которые, как правило, многослойные (теплотехнически неоднородные структуры) хорошо просматривается расположение теплоэффективного материала внутри панели.
Имели место случаи хаотически расположенного утеплителя (плиты
пенопласта), состоящего из многих ломаных кусков, а пространства
между ними заполнены бетоном, т.е. не проектные мостики холода.
Такие панели квалифицировались нами, как не соответствующие проекту. Дальнейшие действия переносили на завод крупнопанельного
домостроения и добивались устранения низкого качества технологического контроля. Ранее, до тепловизионного контроля, это грубейшее нарушение оставалось привычным делом.
С помощью тепловидения легко обнаружить в теле кирпичных
стен наличие воды, попавшей из атмосферных осадков. В этом случае
теплопроводность стен резко возрастает, соответственно и тепловые
потери. В первые три года, как правило, в таких жилых помещениях
невозможно создать микроклимат, соответствующий требованиям
САНПиН. Чтобы минимизировать дискомфорт, потребуется на 30-40
процентов увеличить расход теплоносителя на обогрев дома, если
позволит источник теплоты.
Во избежание неприятных инцидентов по причине атмосферных осадков, необходимо при производстве каменных работ предотвратить увлажнение стен с помощью гидроизоляционных плёночных
материалов, а на стадии отделочных работ – усиленно вентилировать,
удалять влагу из стен.
18
Выше поименованный комплекс инспекционных работ, выполненный группой специалистов, заинтересованных в повышении качества теплозащиты наружных ограждающих конструкций, можно считать не только результативным, но и инновационным. Впервые в Сибири внедрён 100-процентный неразрушающий контроль качества
теплозащиты оболочки зданий, готовых к вводу в эксплуатацию, перед подписанием акта членами Госкомиссии.
В этой тематике были задействованы при поддержке главы Администрации г. Северска работники строительного комплекса: рабочие и инженерно-технические работники домостроительного завода,
строительно-монтажного производства; проектировщики; службы
эксплуатации жилищного фонда; архитектурно-строительный надзор
Администрации города. Поддержанная инициатива авторов имела
большое социальное значение, поэтому нашла применение в других
городах.
В связи с выходов Законов об энергосбережении, последний,
№261 ФЗ от 23.11.2009 года, обязывает всех, без исключения, потребителей энергоресурсов, не зависимо от форм собственности, провести энергетические обследования и составить энергетические паспорта. Применение тепловидения стало повседневным, технологически
необходимым инструментом. В зависимости от технического задания
заказчика тепловидение в строительстве может применяться для:
• общей качественной оценки теплового режима и количественного определения теплопотерь в отдельных участках;
• обнаружения дефектов строительства;
• оценка сопротивления теплопередаче;
• на стадии передачи здания от строителей заказчику (при работе приёмочных комиссий);
• при определении объёма ремонтных работ;
• в ходе расследования жалоб жильцов;
• при анализе эффективности новых строительных материалов
и конструкций, архитектурных решений;
• при составлении энергетического паспорта здания.
Тепловизионная, или инфракрасная термографическая диагностика, позволяет получать информацию о тепловом состоянии объектов, обнаруживать скрытые дефекты и определять теплопотери [4-6].
19
Томский политехнический университет разрабатывает инфракрасную термографию с 70-х годов прошлого века и по ряду направлений является признанным отечественным и мировым лидером
В ЖКХ ИК термография применяется при обследованиях зданий и сооружений (определение теплопотерь, выявление скрытых
дефектов, например, промокание кровли крыш, уточнение зон ремонта, расследование жалоб жильцов, составление энергетических паспортов, оценка соответствия показателей теплозащиты зданий нормативным требованиям), дымовых труб, дорожных покрытий, трубопроводов, тепловых коммуникаций и систем отопления.
С 1990 г. в ТПУ выполнил обследования жилых зданий и
промышленных сооружений в гг. Томске, Северске, Москве, Новороссийске, Благовещенске, Новокузнецке, Самаре, Новосибирске,
Омске, Екатеринбурге, в том числе, в качестве экспертов Арбитражного суда по искам жильцов к строительным организациям.
Благодаря экспрессности, наглядности и возможности непосредственно анализировать тепловые процессы, тепловидение не
имеет альтернативы при массовых обследованиях жилого фонда.
ТПУ способствовал возрождению тепловидения в российском строительстве и ЖКХ в начале 90-х годов прошлого века. Томский опыт
был использован при внедрении метода в Москве и городах Сибирского региона.
На рис. 1 представлен внешний вид и характеристики современных ИК термометров (пирометров) и тепловизоров.
Постановление Главы Администрации г. Северска Томской области № 2418 от 06.11.98 «О вводе в действие методики тепловизионного обследования в г. Северске и стопроцентной диагностике сдаваемых в эксплуатацию зданий».
1. Ввести в действие на территории г. Северска с 10 ноября 1998
г. «Методику…»
2. Обязать всех заказчиков и владельцев, независимо от форм
собственности, проводить тепловизионную инспекцию сдаваемых в эксплуатацию сооружений с приложением к актам
Госкомиссии.
3. Разрешить тепловизионные обследования проводить инфракрасными пирометрами.
20
Рис. 1. Внешний вид и характеристики современных
ИК термометров и тепловизоров
21
4. Всем заказчикам финансирование работ по термографическому обследованию предусматривать в смете затрат на капитальное строительство.
Определение тепловых потерь ограждающих конструкций
10-ти жилых домов в г. Томске.
Диагностика в строительстве подобна медицинской диагностике и требует определенных финансовых затрат, причем основные затраты приходятся на последующий ремонт зданий («лечение»). На
рис. 2 приведен пример термограммы исследуемого здания.
Размер возможной экономии средств и срок окупаемости зависят от цели обследования. Например, оптимизация теплозащиты домов старых серий обеспечивает до 5% экономии на стоимости отопления, что составляет 50-100 тысяч рублей на жилой дом в год, или
до 10 млн. рублей на 100 домов. Исполнитель может обеспечить обследование 50-100 домов в течение годового отопительного периода.
Рис. 2. Пример термограммы исследуемого здания
22
Литература
1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой неразрушающий контроль. Изд-во «Спектр», 2009.-544с.
2. ГОСТ 26629-85. Метод тепловизионного контроля качества.
Теплоизоляция ограждающих конструкций.
3. Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве. М.
Стройиздат, 1987.-238с.
4. Международный стандарт ISO 6781-83. Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих
конструкциях. Инфракрасный метод.
5. Закон РФ № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и
об энергоэффективности…».
6. СНиП 23-02-03. Тепловая защита зданий.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
С. А. Лукьянчиков, к.т.н., доцент ТГАСУ
Под энергоэффективными, в нашем случае, подразумевают материалы, позволяющие обеспечить потребление минимального количества энергетических ресурсов, для нормальной (комфортной) эксплуатации зданий, сооружений и оборудования.
В наших климатических условиях к таким материалам могут
быть отнесены теплоизоляционные материалы и гидроизоляционные,
причем вторые, в основном призваны обеспечить нормальную работу
первых, так, как теплофизические характеристики теплоизоляционных материалов, при увлажнении, существенно снижаются.
Согласно ГОСТ 16381–77, теплоизоляционные материалы классифицируют по структуре, форме и внешнему виду, виду исходного
сырья, средней плотности.
По виду исходного сырья их делят на неорганические, органические и комбинированные. По структуре, на волокнистые, зернистые, ячеистые комбинированные (2 и более вида пористости). По
форме и внешнему виду, на штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры и т.д.); рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты); рыхлые и
сыпучие (минеральная и стеклянная вата, перлитовый песок и др.). По
23
плотности, на материалы особо низкой плотности, низкой, средней
плотности и плотные). Кроме этого их делят по жесткости (сжимаемости или остаточной деформации сжатия), теплопроводности, возгораемости.
При принятии решения об использовании того или иного теплоизоляционного материала руководствуются, как правило, соотношением цена – качество. Причем, в первую очередь, обращают внимание на такие параметры качества, как теплофизические характеристики, долговечность, коэффициент конструктивного качества (параметр, связывающий прочностные характеристики со средней плотностью материала), шахматка применимости.
Каждый из используемых на современном рынке материалов
обладает одним или несколькими преимуществами над другими, что
и позволяет этим материалы материалам удерживаться на этом рынке
В таблице 1 приведены характеристики некоторых, достаточно
распространенных по применению теплоизоляционные материалы с
приблизительной оценкой их эффективности по вышеуказанным параметрам. Анализируя приведенные данные можно заметить, что в
настоящее время, несколько нарушен рациональный баланс в плане
соотношения: цена – качество, что вероятно связано с кризисными
явлениями в строительной отрасли.
Так, например, незаслуженно забыты хорошо зарекомендовавшие себя материалы на основе местного сырья (фибролит, арболит,
торфоплиты, камышит и т.п.), бетоны на пористых заполнителях и
т.п. Предприятия их производившие были разорены в период перестройки, а на организацию новых производств, требуются существенные капитальные вложения. Поэтому инвесторам проще закупить готовую продукцию или полуфабрикаты за рубежом, нежели вкладываться на развитие технологий, которые дадут реальный экономический эффект далеко не сразу.
Поэтому, наблюдается тенденция развития производства теплоизоляционных материалов по простым технологиям, не требующим
больших капитальных вложений с использованием импортного оборудования и не всегда дешевых полуфабрикатов.
Учитывая вышеизложенное, очень хотелось бы, чтобы ответственные за развитие строительного комплекса властные структуры,
обратили повышенное внимание на необходимость возрождения сво-
24
их производственных мощностей по выпуску своих, хорошо зарекомендовавших себя во времени теплоизоляционных материалов.
Экспертная оценка их качества представлена в таблице.
Результаты экспертная оценки их качества теплоизоляционных
строительных материалов
Материал
Цена
(себестоимость)
ККК
прочность,
средняя
плотность
Долговечность
Применимость
Ячеистые
стекла
Пемза
Туфы
высокая
высокая
Неорганические
200-1400
удовлетв
высокая
высокая
высокая
средняя
высокая
средний
к
высокая
средняя
высокая
средняя
Аглопорит
и
аналоги
Ячеистые
бетоны
Пористая
керамика
Бетоны
на пористых
заполнителях
Минераловатные
изделия
высокая
средний
к
высокая
высокая
средняя
средний
Ближе
низкому
к
средняя
средний
Ближе
низкому
к
Средняя (зависит от сырья и
технологии)
высокая
высокая
высокая
средняя
Ближе к высокому
средняя
высокая
высокая
средняя
низкая
10-400
высокая
Зависит от сырья и технологии
средняя
Зависит
от сырья
и технологии
Зависит от
сырья
и
технологии
удовлетв
высокая
Много
ограничений в т. ч
по экологии
высокая
ТИ
засыпки
Перлит,
вермикулит,
аглопорит,
керамзит
300-900
Теплофизика
удовлетв
Ближе
низкому
Ближе
низкому
25
ТИ
засыпки
Гран.
вата,
шлаки и
т.п.
низкая
низкий
Газонаполненные
пластмассы
Пенопласты,
поропласты,
сотопласты
Торфяные
изделия
высокая
Очень высокий
Очень
низкая
низкая
низкая
Очень
низкая
низкая
Очень
низкая
низкая
средняя
Очень высокий
Ближе к
высокой
Низкая
высокий
Низкая
Камышит,
льнокостричные
плиты и
т.п.
ТИ
засыпки
Опилки,
щепа и
т.п.
Древесина
ППБ
Фибролит
Арболит
высокая
Органические
Очень высокая
низкая
Много
ограничений в т. ч
по экологии
Низкая.
Склонность
к пласт течению
даже
при постоянной
нагрузке
Очень
много
ограничений в т. ч
по экологии
и
пожароопасности
Очень высокая
Низкая
низкая
Высокая
Низкая
Очень
много
ограничений
Очень
много
ограничений
низкая
Высокая
Низкая
Очень
много
ограничений
средняя
Низкая
Очень
много
ограничений
Комбинированные
высокий
высокая
низкий
высокий
средняя
средний
средняя
Ближе
высокой
Есть ограничения
Есть ограничения
высокая
к
Приведенные данные в таблице позволяют проектировщикам
ориентироваться при выборе теплоизоляционных строительных материалов для проектирования теплозащитной оболочки зданий.
26
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИЙ СТЕН
ДЛЯ МАЛОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Н.А. Цветков, д.т.н., профессор ТГАСУ, А.В. Колесникова,
к.т.н., доцент ТГАСУ, Д.Н. Цветков, научный сотрудник ТГАСУ,
А.Г. Козырев, директор ООО «ЛЕСИНВЕСТ»
В настоящее время интенсивно развивается малоэтажное строительство. Его долю в общем объеме возводимого жилья к 2015 году
намечено довести в России до 60 % от всего вводимого в стране жилья, что составит 54 млн. м2. Еще два-три года назад, при выборе конструкции наружных стен, потребитель обращал внимание, прежде
всего, на стоимость 1 м2. Сейчас всем понятно, что при эксплуатации
зданий значительное количество расходуемой тепловой энергии связано с тепловыми потерями через стены и потребителя уже интересуют теплозащитные свойства стен. Ниже приведены эти данные.
27
28
29
30
Сопротивление теплопередачи различных стен приведены в
табл. 1.
Таблица 1. Наименование стен, их сопротивление
теплопередаче и стоимость квадратного метра
№
п/п
Стена, сопротивление теплопередачи
(м2·К)/Вт
Стоимость
1 м2 , руб.
1
Стена из кирпича, R=1,16
4962
2
Стена из кирпича обыкновенного с эффект.
утеплителем и облиц. кирпичом, R= 3,8
5322
3
Стена из кирпича с системой вентилируемого фасада и монтажом, R= 3,8
6494
4
Сибит с облицовкой, R= 2,8
5023÷ 7048
5
Стена из блоков Теплостен, R= 3,8
4523
31
6
Блоки из пенополистиролбетона, R= 2,5
4285 ÷ 4690
7
Стена из соломенных блоков типовая R= 5,8
5400
8.
Каркасный монолит пенобетон D 300, R= 3,5
4941 ÷ 5886
9.
Брус деревянный, R= 1,5
4028
10.
Блоки бетонные вибропрессованные, R= 3.5
4428 ÷ 5103
11.
Стена из пенобетона 600 мм, R=2,6
4458 ÷ 4863
12.
Стена из пенобетонных блоков с вентилируемым фасадом R= 3,8
5387
Стена из блоков “Силикон”
13.
Стена из соломенных блоков “Силикон”, R =
6,0
2504
14.
Стена из блоков «Силикон» покупных, R = 3,8
2676
15.
Стена из блоков «Силикон» при строительстве
засройщиком, R = 3,8
1873
16.
Стена из блоков Силикон-Якутия, R = 3,8
2710
17
Стена из блоков Силикон-Якутия, R = 6,0
3280
Доля построенных деревянных домов с учетом того, что на территории Российской Федерации расположено 20 % мировых лесных
ресурсов, в том числе примерно 15 % ценных хвойных пород, возрастет с 6 млн. м2 в год в 2008 г. до 24 млн. м2.
Общеизвестно, что дома из дерева можно строить в любое время года и они обладают наилучшей сейсмостойкостью. Срок эксплуатации деревянного дома при соблюдении всех требований технологии
деревянного домостроения составляет более 100 лет. Кроме того, в
настоящее время широко применяется обработка древесины препаратами, защищающими ее от климатических воздействий, образования
32
грибка, гниения, возгораемости, древоточцев и т. д., что позволяет
еще больше увеличить срок службы деревянного строения.
Деревянный дом – это экологически чистое жилье, в помещениях которого человек чувствует себя комфортно. Эти ощущения связаны не только с тем, что древесина – пористый материал, который
способен аккумулировать излишнюю влагу из воздуха и отдавать ее
сухому воздуху помещения, но и с тем, что древесина, особенно
хвойных пород, содержит ароматизирующие целебные вещества (в
наибольшей степени – древесина кедра). Древесина легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо склеивается различными
клеями, скрепляется шурупами и гвоздями, окрашивается, лакируется, полируется. При различных направлениях среза получают красивую разнообразную текстуру древесины (эстетические свойства).
В настоящее время на строительном рынке появился профилированный брус с утеплителем (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Профилированный брус (б)с утеплителем
(пенополиуретан) и массивными коннекторами между
ламелями (а) фирм ЗАО «777 Д и К» и ООО «Починки».
(официальный сайт: http://www.777dc.ru/)
Преимущества утепленного бруса (рис. 2) фирмы ЗАО «777 Д и
К» в сравнении с клееным брусом очевидны:
– работоспособность бруса определяется не клеевыми соединениями (пенополиуретан обладает хорошей адгезией к древесине), а
массивными деревянными коннекторами, соединяющими наружную
и внутреннюю ламели;
33
– экономия древесины (частичное сохранение лесов);
– утепленный брус вдвое легче, что позволяет выполнить монтаж дома на более экономичных фундаментах;
– тепловое сопротивление глади стены почти в три раза больше,
что обеспечивает существенное снижение энергозатрат на отопление
дома.
Сравнительные характеристики для стен, сделанные ЗАО «777
Д и К» для дома (7,5×10 м, общей площадью 127 м2), построенного из
утепленного и клееного бруса, приведены в табл. 2, где δ – толщина
бруса.
Таблица 2. Результаты сопоставления утепленного бруса
ЗАО «777 Д и К» и клееного бруса.
Наименование параметра сравнения
Объем бруса, м3
Стоимость 1 м3 сруба с комплектующими, руб.
Стоимость сруба с комплектующими, руб.
Стоимость сборки сруба, руб.
Стоимость сруба со сборкой, руб.
Стоимость 1 м2 стены, руб.
Вес 1 м2 стены, кг
Тепловое сопротивление стены,
(м2·К)/Вт
Количество теплоты на отопление
дома, (кВт·ч)/год
Утепленный
брус,
δ = 146 мм
28,8
22475
Клееный
брус,
δ =204 мм
39,4
23 337
4100
42
919
478
229
870
1 149
348
5 950
100
3,847
1,49
7 300
18 700
647280
161820
809100
Превосходство теплотехнических и стоимостных характеристик
утепленного бруса очевидно.
На рис. 2 показан утепленный профилированный бус и клееный
брус с одной или двумя утепляющими вставками (рис. 3).
34
Рис. 2. Брус фирмы «Сибрэкс»
с утепляющей вставкой
ПОЛИСТЕН
Рис. 3. Профилированный брус
ОАО ТДСК с одной или двумя
утепляющими вставками из пенополистирола
Основным недостатком бруса ЗАО «777 Д и К» является значительные потери теплоты через массивные коннекторы и недостаточная прочность последних, поскольку прочность на разрыв древесины
в направлении поперек волокон примерно в 30 раз меньше прочности
на разрыв вдоль волокон.
В последние годы в ТГАСУ разработаны конструктивные решения деревянных сортиментов с утепляющими вставками [1-21],
которые предназначены для использования при строительстве малоэтажных зданий.
Примеры опытной продукции наиболее прочных изделий (бруса) с утепляющими вставками представлен на рис. 4.
а
б
в
Рис. 4. Опытные образцы клееных деревянных изделий
с теплоизоляционными вставками ПЕНОПЛЭКС®:
а – строительный элемент; б – брус с двумя утепляющими
вставками; в – брус с тремя утепляющими вставками
35
Строительный элемент (рис. 1, а) может быть использован для
устройства полов первых этажей, чердачных перекрытий, внутренних
перегородок с повышенной звукоизоляцией. Брус (рис. 1, б, в) может
быть использован при возведении стен.
Учитывая то, что утепленный брус, показанный на рис. 4-б и
рис. 4-в, имеет недостаточные теплозащитные свойства, то нами разработаны технические решения наружных стен из утепленного профилированного бруса с поперечным креплением ламелей (рис. 5).
б
а
Рис. 5. Стена из бруса с прямоугольными (а)
и Н-образными коннекторами (б)
Исследованы тепловые режимы стены для климатических условий г. Томска при толщинах ламелей 0,04 м и утеплителя
ПЕНОПЛЭКСR (0,13 м). Использовались прямоугольные коннекторы
(рис. 2-а), соединяющие внутреннюю ламель и внешнюю ламель из
влагостойкой фанеры, стеклопластика и нержавеющей стали. Результаты расчетов с использованием программного комплекса ANSYS
показали, что применение коннекторов из влагостойкой фанеры толщиной 0,0065 м, позволяет изготовить прочный брус с сопротивлением теплопередачи более 4,0 (м2·К)/Вт.
Сопоставление результатов расчета тепловых балансов двухэтажного здания, построенного в г. Томске с использованием цельно-
36
го бруса толщиной 0,21 м и с использованием строительных элементов (рис. 4-а) и бруса авторов (рис. 5) показало, что тепловые потери
через стены, пол первого этажа и перекрытия снизились в 2,51, в 1,29
и в 1,49 раза, соответственно (рис. 6).
Рис. 6. Сопоставление результатов расчета тепловых
балансов двухэтажного здания: технология цельного
бруса (верхний); технологии авторов (нижний)
В настоящее время в ТГАСУ разрабатывается технология малоэтажного деревянного строительства максимальной заводской готовности, в которой будут применены новые изделия (утепленный профилированный брус, рис. 5) для наружных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными свойствами, новые изделия для
пола первого этажа и внутренних перегородок (рис. 4-а), а также для
пола и стен мансардного этажа (рис. 4-б, рис. 5).
Выводы.
1. Показаны возможности снижения тепловых потерь в малоэтажном строительстве через стены, пол первого этажа и через наружные ограждения мансардного этажа при использовании в ограж-
37
дающих конструкциях утепленных деревянных сортиментов, в том
числе бруса с коннекторами, не менее чем в 1,95 раза.
2. Дальнейшее повышения энергоэффективности таких зданий
возможно при использовании рекуперации теплоты в системах приточно-вытяжной вентиляции и их работы по датчикам влажности
воздуха и углекислого газа.
3. Предлагаемая технология, кроме повышения энергоэффективности, позволит существенно снизить нагрузку на фундаменты,
исключить ряд переделов при устройстве пола первого этажа, пола и
стен мансард, межкомнатных перегородок, снизить сроки возведения
зданий.
Литература
1. Цветков, Д.Н. Теплотехническое обоснование наружных
ограждений зданий из клееных деревянных энергоэффективных сортиментов//Вестник ТГАСУ.-2012, № 2.- С. 81-90.
2. Цветков, Н.А. Пути повышения эксплуатационных свойств
клееного профилированного бруса c утеплителем // Вестник ТГАСУ.
– 2012, № 2.- С. 163-169.
3. Пат. на полезную модель 114982 Российская Федерация,
МПК E04C 3/292 (2006.01). Комбинированный клееный брус с поперечным креплением/ Н. А. Цветков, А. В. Колесникова, Н.А. Черкашина, Д.Н. Цветков, А.И. Липихин; ГОУВПО «ТГАСУ». – №
2011138775/03; заявл. 21.09.2011; опубл. 27.04.2012, Бюл. № 11.
4. Пат. на полезную модель 117469 Российская Федерация,
МПК E04В 2/00 (2006.01). Конструкция облицовки внешнего угла
здания, выполненного из бревна, бруса или клееного бруса (варианты) / Н. А. Цветков, А. В. Колесникова, Д.Н. Цветков; ГОУВПО
«ТГАСУ». – №2012103415; заявл. 01.02.2012; опубл. 27.06.2012, Бюл.
№ 18.
5. Пат. 38793. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Деревянный брус /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, А.Г. Козырев, А.В. Колесникова, О.И. Недавний, А.Я. Кузин, Н.А. Цветков; ТГАСУ. – №
2004108395/22 ; заявл. 23.03.2004 ; опубл. 10.07.2004, Бюл. № 19.
6. Пат. 40344. Российская Федерация, МПК Е 04 В 2/06. Стена /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, А.Г. Козырев, О.И. Недавний, А.Я. Ку-
38
зин, Н.А. Цветков, А.В. Колесникова; ТГАСУ. – № 2004110176/22 ;
заявл. 05.04.2004 ; опубл. 10.09.2004, Бюл. № 25 (IV ч.).
7. Пат. 49053. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Утепленный деревянный брус /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, Н.А. Цветков,
А.Я. Кузин, Д.Н. Цветков, О.Ю. Парфирьева; ГОУВПО «ТГАСУ». –
№ 2005117395/22 ; заявл. 06.06.2005 ; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31.
8. Пат. 56430. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Деревянный брус /А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Г. Козырев, А.Я. Кузин, Д.Н. Цветков, А.В. Жуков; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». – № 2006115040/22 ; заявл. 02.05.2006 ; опубл. 10.09.2006,
Бюл. № 25 (IV ч.).
9. Пат. 57311. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292.
Клееный строительный элемент / А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Г.
Козырев, А.Я. Кузин, Д.Н. Цветков, А.В. Жуков; ГОУВПО «ТГАСУ»;
ООО «Лесинвест». – № 2006117541/22 ; заявл. 22.05.2006; опубл.
10.10.2006, Бюл. № 28 (II ч.).
10. Пат. 85516. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/29.
Клееный строительный элемент (варианты) /А.Г. Козырев, А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Я. Кузин, И.А. Лесняк; ГОУВПО «ТГАСУ»;
ООО «Лесинвест». – № 2009115917/22 ; заявл. 27.04.2009; опубл.
10.08.2009, Бюл. № 22.
11. Пат. 86207. Российская Федерация, МПК E 04 C 3/29.
Клееный брус (варианты) / А.Г. Козырев, Н.А. Цветков, А.Н. Хуторной, А.В. Колесникова; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». – №
2009117667/22 ; заявл. 08.05.2009 ; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.
12. Пат. 108777. Российская Федерация, МПК E 04 C 3/292
(2006.01). Комбинированный клееный брус / Н.А. Цветков, А.В. Колесникова, Н.А. Черкашина, Д.Н. Цветков; ГОУВПО «ТГАСУ». – №
2011119841/03 ; заявл. 17.05.2011 ; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.
13. Исследование влажностного состояния наружной деревянной брусчатой стены / А.Я. Кузин, Т.А. Мирошниченко, Д.Н.
Цветков [и др.] // Вестник ТГАСУ. – 2007. – № 2. – С. 186–194.
14. Цветков, Д.Н. Эффекты энергосбережения при использовании деревянного бруса с утепляющими вставками / Д.Н. Цветков,
О.О. Тищенко // Матер. ХII Междунар. науч.практ. конф. студ. и молодых ученых «Современные техника и технологии», 27–31 марта
2006 г. – Томск : Том. политехн. ун-т, 2006. – С. 411–413.
39
15. Цветков, Д.Н. Тепловлажностные режимы наружных стен
зданий из клееного бруса с утепляющей вставкой / Д.Н. Цветков //
Матер. ХII междунар. науч.-практ. конф. студ. и молодых ученых
«Современные техника и технологии», 27–31 марта 2006 г. – Томск :
Том. политехн. ун-т, 2006. – С. 414–416.
16. Нестационарный теплоперенос в наружных стенах зданий
из клееного бруса с тремя утепляющими вставками / А.Я. Кузин, А.Н.
Хуторной, Н.А. Цветков [и др.] // Вестник ТГАСУ. – Томск : Изд-во
Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2007. – № 3. – С. 186–194.
17. Математическое моделирование тепло- и влагопереноса в
наружных деревянных ограждающих конструкциях / А.В. Жуков,
А.Я. Кузин, Т.А. Мирошниченко [и др.] // Известия вузов. Строительство. – 2007. – № 1. – С. 8–15.
18. Нестационарный пространственный теплоперенос в неоднородном угловом фрагменте деревянной брусчатой стены /
А.Я.Кузин, А.Н. Хуторной, Д.Н. Цветков [и др.] // ИФЖ. – 2009. – Т.
82. – № 4. – С. 688–692.
19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2008611294 Российская Федерация. Нестационарный
теплоперенос в неоднородном фрагменте наружной стены здания с
тремя утепляющими вставками /А.Я. Кузин, А.Н. Хуторной, Н.А.
Цветков, Д.Н. Цветков, М.С. Филюшина; ГОУВПО «ТГАСУ». – №
2007614813 ; заявл. 30.11.2007; зарегистрировано в Реестре программ
для ЭВМ 14.03.2008; опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ. Базы данных. Типологии интегральных микросхем», 2008, № 2 (II ч.).
20. Теоретическое и экспериментальное исследование тепловых режимов элементов ограждающих конструкций из клееного деревянного бруса с утепляющими вставками / Н.А. Цветков, А.В. Колесникова, Н.А. Черкашина [и др.] // Инновационные технологии
в науке и образовании. Современное производство, техника и технологии: сб. тр. м/н науч.-практ. конф. 16–18 сентября 2011 г. / БГУ. –
Улан-Удэ : Изд-во БГУ, 2011. – С. 30–36.
21. Конструкции деревянные клееные несущие с термовкладышем: технические условия 5366–060–00884306–2009 / [разработчики]: Н.А. Цветков, А.Н. Хуторной, С.А. Лукьянчиков, А.Г. Козырев,
И.А. Лесняк. – Введ. 15.01.2009 без ограничения срока действия. –
Томск, 2009. – ОС «Томскстройсертификация» ТГАСУ.
40
ВЛИЯНИЕ УВЛАЖНЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
НА ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ В СЕТЯХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Ю.А. Воронина, аспирант ТГАСУ, Т.Н. Немова, д.т.н., профессор
ТГАСУ, К.Д. Трофимов, к.т.н., профессор ТГАСУ
Одной из наиболее острых проблем развития топливноэнергетического комплекса России является проблема энергосбережения.
Существенную роль в выполнении программы энергосбережения России сыграет высокоэффективная тепловая изоляция, применяемая во всех областях промышленного производства и строительства.
Анализ состояния проблемы энергосбережения в строительстве,
и роли тепловой изоляции в ее решении, показал, что в настоящие
время потери теплоты объектами строительного комплекса очень существенны.
Теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций
трубопроводов, как показывает практика, снижаются в процессе эксплуатации. Так, например, за счет периодических тепло-влажностных
воздействий окружающей среды волокнистая изоляция уплотняется,
толщина ее уменьшается, а теплопроводность увеличивается [1].
При выборе теплоизоляционного материала для проектируемых
теплотрасс специалисты руководствуются преимущественно величиной коэффициента теплопроводности, который в нормативной и
справочной документации представлен, в основном, для воздушносухого материала [2]. На практике же централизованное теплоснабжение связано с разной степенью водонасыщения теплоизоляции
(полное или частичное затопление теплотрасс). Для оценки уровня
тепловых потерь практикующим специалистам требуется полноценная нормативно-расчетная база данных по зависимости величины коэффициента теплопроводности от влагосодержания для типичных
теплоизоляционных материалов [3]. В настоящее время такая база
только начинает формироваться.
Для установления основных закономерностей влияния увлажнения на величину коэффициента теплопроводности для типичных
теплоизоляционных материалов [4], используемых при проектирова-
41
нии и эксплуатации систем теплоснабжения, были проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента теплопроводности при их увлажнении и высыхании.
Эксперименты проводились с теплоизоляционными материалами, находящимися в сухом и влажном состоянии. Исследовались плоские образцы из стеклянного штапельного волокна, пеностекла и базальтовой ваты.
С этой целью были разработаны две экспериментальные установки:
- экспериментальная установка для проведения исследований на
плоских образцах (пластинах) теплоизоляционных материалов;
- экспериментальная установка, моделирующая реальные условия эксплуатации теплопроводов.
Блок – схема установок представлена ниже.
Понижающий трансформатор 220/36В
Теплоизоляционный материал
Электронагреватель
Термопара
Q
Измерительная ячейка
Регистрирующая аппаратура
Источник питания
Автотрансформатор 0…250 В
Рабочая часть экспериментальной установки для проведения
исследований на плоских образцах (пластинах) теплоизоляционных
материалов представлена на рис.1.
Для сухих и влажных образцов используется одна методика
проведения экспериментов. Однако для исключения испарения жидкости из исследуемого увлажненного образца, материал помещался в
полиэтиленовую пленку толщиной 10 мкм.
Влажность теплоизоляционного материала обеспечивалась введением в материал определенного количества воды. Для этого вода
равномерно распределялась по пленке, а затем сверху на воду поме-
42
щался теплоизоляционный материал. Была произведена оценка влияния наличия пленки на результаты измерений. Для этого использовался сухой образец теплоизоляционного материала.
Рис. 1. Измерительная ячейка для исследования плоских образцов
1 – термопара, 2 – теплоизоляционный материал, 3 – электронагреватель, 4 – изолятор (картон, используется в качестве изолятора
во избежание замыкания), 5 – изоляция торцов.
Полученные значения температур в исследованных образцах в
пленке и в ее отсутствие и рассчитанные по ним значения коэффициента теплопроводности показали, что наличием пленки можно пренебречь.
Экспериментальная установка, моделирующая реальные условия эксплуатации теплопроводов представлена на рис. 2.
При моделировании реальных условий эксплуатации теплопроводов использовались образцы из пенополиуретана и базальтовой ваты, находящиеся в сухом и влажном состоянии.
В этом случае влажность теплоизоляционного материала обеспечивалась введением определенного количества воды в емкость с
измерительной ячейкой. При заполнении измерительной ячейки водой ее уровень в емкости регистрировался с помощью линейки, а
температура окружающей среды определялась ртутным термометром.
Этим экспериментом воспроизводилась ситуация сезонного затопления теплотрасс талыми водами.
Эксперименты проводились для пенополиуретана, в трех случаев затопления измерительной ячейки: на четверть, на половину и
полностью затопленной. Так же эксперименты проводились для определения, зависимости изменения, величины коэффициента тепло-
43
проводности базальтовой ваты от времени нахождения в воде. Измерительная ячейка, была погружена в воду на четверть толщины слоя
изоляции из базальтовой ваты, установленной на нагреваемой трубе.
Кроме того экспериментально исследовано изменение величины теплопроводности теплоизоляционного материала при его естественном
высыхании.
Рис. 2. Измерительная ячейка для установки моделирующей реальные
условия эксплуатации: 1 – термопары, 2 – изоляционный материал, 3 –
электронагреватель, 4 – труба, 5 – емкость
Для оценки способности теплоизоляционных материалов к поглощению влаги материалы помещались в сосуды с водой. Визуально
на образце из базальтовой ваты отмечалось мгновенное поглощение
воды с изменением объема материала. Общее количество поглощенной воды превышало первоначальный вес образца примерно в 17 раз.
После высыхания образец не восстанавливал первоначальную форму
и объем (рис. 3).
Следовательно, в этом случае увлажнение в условиях полного
затопления теплопровода даже после высыхания теплоизоляции приводит к существенному изменению теплофизических свойств изоляционного материала.
В свою очередь образец из пенополиуретана в течение суток
превысил свой вес всего на 8 %, не изменяя формы и объема. При механическом нарушении поверхностной оболочки образца материал
моментально поглощает воду, превышая свой первоначальный вес в
десятки раз.
44
Рис. 3. Слева направо показаны базальтовая вата в сухом состоянии,
базальтовая вата после естественного высыхания, базальтовая вата в
состоянии полного насыщения водой.
Вместе с тем, образцы, размещенные над водой, сохраняли свой
первоначальный вес после четырех суток, не поглощая влагу в течение этого времени.
Таким образом, процесс увлажнения (поглощения влаги) материала начинается только при непосредственном контакте материала с
водой.
По разработанной методике были получены экспериментальные данные для расчета коэффициента теплопроводности при известном тепловом потоке для разных состояний образца. Результаты
представлены в таблице и графически.
Таблица
Теплоизо
ляционный
материал
Базальтовая
вата
Пенополиуретан
Эксперимен
тальная
установка
Состояние
образца
λср,Вт/м·
К
пластина
сухой
влажный
0,053
0,061
0,048…0,058
0,046…0,077
сухой
0,053
0,05…0,056
0,15
0,05…0,25
0,11
0,047
0,067
0,047
0,086…0,134
0,041…0,053
0,053…0,081
0,043…0,051
модель
пластина
модель
затоплен на
четверть
полное
высыхание
сухой
влажный
сухой
45
λ, Вт/м·К
затоплен на
четверть
Стеклянное
штапельное пластина
волокно
Пеностекло пластина
затоплен на
половину
затоплен
полностью
полное
высыхание
сухой
влажный
сухой
влажный
полное
высыхание
0,06
0,042…0,078
0,076
0,048…0,104
0,15
0,08…0,22
0,05
0,061
0,047…0,053
0,063…0,069
0,086
0,074
0,179
0,081…0,091
0,071…0,077
0,165…0,0193
0,089
0,097…0,081
На рис.4 – 7 представлены зависимости коэффициента теплопроводности от времени и от уровня затопления водой теплоизоляционного слоя измерительной ячейки, полученные при проведении ряда
экспериментов на экспериментальной установке, моделирующей реальные условия эксплуатации теплопроводов.
Рис. 4. Результаты экспериментов в стадии увлажнения и высыхания
базальтовой ваты.
46
Из рис. 4. видно что, уже через 24 часа коэффициент теплопроводности базальтовой ваты существенно увеличивается, а полное насыщение водой вследствие гигроскопичности наступает через 72 часа
после начала эксперимента. При этом величина коэффициента теплопроводности базальтовой ваты увеличивается в три раза и сохраняет
свое значение при дальнейшем пребывании образца в воде в течение
еще 48 часов, а при полном высыхании не восстанавливает исходную
величину.
Рис 5. Изменение величины коэффициента теплопроводности пенополиуретана в зависимости от уровня затопления водой изоляционного слоя.
При затоплении образца пенополиуретана (рис 5, 6) четверть
наблюдается незначительное повышение коэффициента теплопроводности. При затоплении на половину и при полном погружении
слоя изоляции в воду коэффициент теплопроводности существенно
увеличивался до некоторого стационарного значения, в два раза превышающего соответствующую величину для сухого материала, и сохраняет это значение при дальнейшем пребывании образца в воде в
течение суток.
Анализ полученных результатов для пенополиуретана в стадии
увлажнения и высыхания (рис. 6) показывает, что коэффициент теплопроводности пенополиуретана значительно изменяется при увлажнении, а при полном высыхании восстанавливает исходное значение.
Аналогичные зависимости получены и для образца пеностекла
(рис. 7).
47
Рис 6. Результаты экспериментов в стадии увлажнения и высыхания
пенополиуретана.
Аналогичные зависимости получены и для образца пеностекла
(рис. 7).
Рис. 7. Изменение величины коэффициента теплопроводности пеностекла
На основании полученных экспериментальных результатов
можно сделать следующие выводы:
48
- при увлажнении всех теплоизоляционных материалов происходит увеличение коэффициента их теплопроводности, а, следовательно, и увеличение тепловых потерь;
- образец из базальтовой ваты не восстанавливает свои теплофизические свойства при полном высыхании;
- повышение уровня затопления образца пенополиуретана приходит к увеличению коэффициента теплопроводности, а при высыхании он восстанавливает свои теплофизические свойства.
Таким образом, полученные результаты по влиянию увлажнения на величину коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов позволяют уточнить исходные данные для задач определения тепловых потерь в системе теплоснабжения.
Литература
1.
Бухин,
В.Е.
Предварительно изолированные
трубопроводы для систем централизованного теплоснабжения / В . Е .
Б у х и н – М.: Теплоэнергетика, 2002. – № 4. – С. 24 – 29.
2 . З е л и к с о н , Н . М . Тепловая изоляция трубопроводов
тепловых сетей / Н . М . З е л и к с о н , М . Г . Ш п е е р – М.:
Госэнергоиздат, 1962. – С. 24 – 25.
3. Воронина Ю.А.Влияние увлажнения теплоизоляции на
тепловые потери в системах теплоснабжения / Ю.А. Воронина., Т.Н.
Немова, К.Д. Трофимов., Н.А. Цветков.// Изв. вузов. Физика. – 2010. –
№12/2. – С. 63.
4. Дмитрович, А.Д. Определение теплофизических свойств
строительных материалов. / А.Д Дмитрович. – М.: Госстройиздат, 1963 –
203 с.
49
СИСТЕМЫ ВОДОПОДГОТОВКИ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ
ВОД В МАЛОЭТАЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Е.Ю. Курочкин, к.т.н, доцент ТГАСУ,
Е.А. Кирейкина, студент ТГАСУ
В условиях малой плотности распределения населения в Сибирском регионе остро стоит проблема обеспечения качественной
питьевой водой населения, а также удаления и переработки сточных
вод и образующихся осадков. Автором предлагается использовать
после соответствующей водоподготовки в малых населенных пунктах
для питьевых нужд только подземные воды, а образующиеся стоки
очищать в локальных очистных сооружениях. Для повсеместного
внедрения этой идеи предлагается разработать территориальные
строительные нормы систем водоснабжения и водоотведения районов
жилой малоэтажной застройки. В статье приведен краткий обзор по
современным методам и технологиям водоподготовки и водоочистки,
появляющихся на рынке водоочистного оборудования в Сибирском
регионе.
По территории Западно-Сибирского региона протекает одна из
крупнейших рек мира – Обь. Исторически так сложилось, что в ее
верховьях располагаются крупные города - Новосибирск, Кемерово,
Томск, Северск с целым поясом предприятий, в том числе и градообразующих. Поверхносная вода, пройдя территорию города, изменяет
свои химические, биологические, бактериологические свойства в сторону увеличения концентраций растворенных и нерастворенных веществ. По ходу движения воды в реках количество загрязнений в них
только увеличивается. Вопрос снабжения качественной водой населения остро стоит в регионе с начала 70-х годов.
Единственным надежно защищенным от загрязнений источником качественного хозяйственно-питьевого водоснабжения населения
области служат подземные воды. Они достаточно защищены от поверхностного загрязнения, имеют качественный состав, удовлетворяющий требованиям СанПиН [1] по преобладающему числу показателей. Это стало одной из причин ввода в эксплуатацию подземного
водозабора для г. Томска.
50
Перед подачей в разводящие водопроводные сети, добываемые
подземные воды требуют специальной водоподготовки, способы которой существенно зависят от исходного химического состава подземных вод и являются достаточно сложной научной и производственной проблемой.
Запасы подземной воды способны обеспечить потребности жителей на долгие годы. Подземные воды достаточно надежно защищены от поверхностного загрязнения слабопроницаемыми глинистыми
отложениями. Однако по качеству они не отвечают требованиям [1].
Повсеместно по территории области в подземных водах наблюдается
превышающее предельно допустимые концентрации содержание железа (от 2 до 77,7 раза), марганца (от 1,3 до 12,7 раза), аммония (от 1,3
до 3 раза), кремния (от 1,1 до 2,8 раза). В бактериологическом отношении подземные воды области, как правило, удовлетворяют существующим требованиям. Районирование территории Томской области
по технологиям водоподготовки подземных вод представлено в [2], и
приведено на рис.1.
Рис.1. Районирование территории Томской области по технологиям очистки подземных вод от:
1 – железа и марганца; 2 – железа, марганца, органических веществ; 3 – железа, марганца, солей жесткости; 4 – железа, марганца, органических веществ и аммония; 5 – железа, марганца, органических веществ и солей жесткости; 6 - железа, марганца, органических веществ, солей жесткости и аммония
51
Для сибирского региона характерна слабая плотность заселения
и таким образом, строительство централизованных водоснабжения и
водоотведения систем является весьма дорогим и с финансовой стороны не окупаемым проектом.
Система водоснабжения по Томской области характеризуется
следующими чертами:
- специальная водоподготовка перед подачей питьевой воды населению проводится только на крупных водозаборах области;
- используемые на подавляющем числе водозаборов системы
водоподготовки не обеспечивают эффективную очистку воды;
- на более мелких и на большинстве децентрализованных водозаборов водоподготовка примитивна, а на одиночных эксплуатационных скважинах вообще отсутствует;
- элементы автоматического управления зачастую не установлены, либо вышли из строя;
- в этих случаях население вынуждено использовать для удовлетворения своих нужд неочищенную воду.
Для решения вопросов водоснабжения начали разрабатываться
территориальные строительные нормы систем водоснабжения и водоотведения районов жилой малоэтажной застройки. Впервые такие
нормы были разработаны Администрацией Московской области в
1997 году. Важным аспектом таких норм встала необходимость параллельной проработки вопросов водоснабжения и водоотведения у
каждого застройщика, а любое водоочистное оборудование, вводимое
в эксплуатацию должно быть сертифицировано на технологическую и
санитарно-гигиеническую пригодность.
Для нашего региона, обладающего значительными запасами
подземной воды с повышенным содержанием железа, марганца, сероводорода и иногда аммония, подходит технология очистки воды с
аэрированием или вводом иных окислителей с дальнейшим фильтрованием сырой воды на скорых напорных фильтрах. Для индивидуальных застройщиков и малых населенных пунктов в качестве напорных
фильтров возможно применять фильтры, представленные на рис.2.
Преимуществом данного фильтра является то, что в качестве
фильтрующей загрузки мы применяем альбитофир либо горелые породы, в зависимости от качества исходной воды, которые добываются
в Сибирском регионе.
52
Рис. 2. Скорый напорный фильтр для очистки подземных вод
Альбитофир и горелые породы являются очень прочными материалами, с хорошими адсорбирующими свойствами, поэтому качество воды всегда удовлетворяет требования [1].
Вода, попадая в приемник сточных вод является стоком, который необходимо отводить за пределы здания и очищать. В тех случаях, если расход стоков составляет менее 1 м3/сут возможен ввод в
эксплуатацию люфт-колодцев, во всех остальных случаях необходимо предусматривать либо централизованную систему канализования,
либо локальные очистные сооружения. На наш взгляд должны выполняться простые требования, которые зачастую на практике нарушаются. Системы водоотведения должны отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать отвод расчетного количества сточных вод, определяемого в соответствии с требованиями нормативных документов;
- гарантировать сохранность строительных конструкций зданий, исключая возможность затопления и длительного увлажнения;
- обеспечивать качество очистки сточных вод при сбросе их в
водоем в соответствии с "Санитарными правилами охраны поверхно-
53
стных вод от загрязнения сточными водами", или в другие места, согласованные с местными органами надзора;
- обладать долговечностью не менее расчетного срока службы
до капитального ремонта, определяемого нормативами;
- для индивидуальных домов, коттеджей, личных подсобных
хозяйств при наличии системы внутреннего водопровода, подающего
воду хотя бы к одной водоразборной точке, следует предусматривать
систему водоотведения, при этом необходимо исключить попадание в
нее пищевых отходов, залповых сбросов вредных веществ и т. д. для
предотвращения нарушений в работе сети и очистных сооружений.
Все имеющиеся локальные технологии очистки сточных вод
гарантируют примерно одинаково высокие показатели качества воды
на выходе из них, которые, однако, в 3 – 5 раз выше концентраций
загрязнений для питьевой воды. Разница между предлагаемыми локальными очистными сооружениями наблюдается чаще всего в конструкции (компоновке) элементов и реже в механизме очистки. Можно назвать следующие конструкции ЛОС, присутствующие на рынке
в нашем регионе: Юнилос; ТОПАС; ЮБАС; ЛОС-БИО; кавитационно-ферментационные очистные сооружения.
Эти различия сказываются на габаритах очистных станций и
ценовой характеристики. ЛОС производительность 1 м3/сут при вводе в эксплуатацию «под ключ» стоят около 75-120 тыс. руб. Однако
такие системы имеют и недостатки – необходимость удаления и утилизации органики из ЛОС и отвода очищенной воды. С одной стороны, в ходе эксплуатации ЛОС образуется осадок, который хотя бы 1
раз в год необходимо выгружать из блока ЛОС и куда-то складировать, а с другой постоянно из ЛОС вытекает очищенная сточная вода,
которая должна куда-то отводиться (сбрасываться на рельеф, в водный объект, либо канализационную сеть).
Общие выводы.
1. Возникла необходимость разработки и внедрения собственных ТСН.
2. При введении в эксплуатацию ЛОС и сбросе очищенных вод
на рельеф всегда будет возникать засоление почв и заболачивание
территорий.
3. В санитарном отношении по-прежнему лучшей является
централизованная система канализования.
54
Литература
1. СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. контроль качества" (Утверждены Главным государственным санитарным врачом РФ 26 сентября 2001 г. N 24).
2. Тарифное регулирование организаций водопроводноканализационного хозяйства Томской области: под редакцией А.А.
Лукьянца. – 312с. Томск, 2004 г.
СОВРЕМЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО
СОСТОЯНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
А.Н. Козлобродов, д.ф.-м.наук, профессор ТГАСУ,
Е.А. Иванова, старший преподаватель ТГАСУ
В настоящее время вопросы энергосбережения относятся к
приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий
не только в России, но и во всем мире. Очевидно, что решение этих
вопросов должно иметь комплексный характер [1]. Как показывают
аналитические обзоры жилищного строительства, в 2009-2010 году
приоритетными направлениями в технологии относительно недорогого малоэтажного домостроения являются каркасное строительство и
монолитное домостроение с несъемной опалубкой. Эти две технологии имеют все предпосылки для того, чтобы стать ключевыми в реализации федеральной программы "Доступное жилье".
Эксперты рынка строительных технологий считают, что именно
в этих направлениях сосредоточены последние инновационные достижения строительной индустрии.
Выбор ограждающих конструкций является определяющим в
капитальных затратах на строительство индивидуального дома и последующих эксплуатационных расходах, связанных с тепловыми потерями. При этом решающее значение имеет научное обоснование и
разработка новых перспективных технологий малоэтажного строительства.
55
Ежегодно в России сдается в эксплуатацию от 12 до 15 млн. м2
общей площади малоэтажных жилых зданий, что составляет порядка
40 % нового жилого фонда. Это означает, что потенциал снижения
расхода ТЭР в малоэтажных жилых зданиях от суммарного потенциала энергетики РФ огромен и составляет не менее 15 % [1].
Таким образом, задача возведения энергоэффективных малоэтажных зданий является очень важной в архитектуре и строительстве. Она позволяет наиболее рационально использовать ограниченные
топливноэнергетические и материальные ресурсы при получении
максимального социального, экономического и экологического результата.
Анализ достижений в области малоэтажного строительства
свидетельствует о том, что для сложных климатических условий, характерных для Западно-Сибирского региона, экономически оправданным и перспективным является монолитное домостроение, когда
используется несъемная опалубка, элементы которой являются конструкционно- теплоизоляционными слоями в наружной стене.
Таким образом, актуальность выбранного направления исследования обусловлена необходимостью повышения теплозащитных
свойств наружных ограждений, применяемых в индивидуальном и
производственном домостроении в холодных климатических зонах
России.
1. Методы расчета теплового состояния современных
ограждающих конструкций
При расчете теплового состояния многослойных ограждающих
стеновых конструкций с выполнением условий, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям, условиям комфорта, а также энергосбережения, обычно используют усредненные величины (например,
расчетную зимнюю температуру наружного воздуха) за определенный промежуток времени, которые характеризуют (определяют) данные климатические условия. Это является серьезным допущением,
поскольку используемые в строительстве пористые структуры подвергаются со стороны внешней среды переменным воздействиям, в
том числе циклического и квазициклического характера, поэтому все
процессы теплопереноса в структурах следует считать нестационарными. Игнорирование нестационарности процессов теплопереноса в
ограждающих конструкциях может привести к значительным ошиб-
56
кам при оценке их тепловых и прочностных свойств, а завышение
требуемых сопротивлений теплопередаче – к удорожанию строительных объектов. Таким образом, используемые математические модели
должны быть нестационарными. Кроме того, они должны быть не
одномерными и нелинейными. Неодномерность математических моделей обусловлена наличием в слоях наружных ограждений различных мало- и высокотеплопроводных включений, а нелинейность –
учетом переменности их теплофизических свойств (ТФХ), наиболее
ярко проявляющейся в экстремальных условиях, например, при пожарах.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что для корректного математического моделирования процессов теплопереноса в
многослойных неоднородных наружных ограждениях необходимо
повышать адекватность математических моделей. Это в свою очередь
должно приводить к их разумному усложнению и необходимости
развития эффективных численных методов решения задач.
Учет нестационарности и многомерности процессов теплопереноса в составных телах различной геометрической формы, являющихся элементами современных наружных ограждений, значительно
усложняет математические модели и делает численные методы единственным способом их решения. Тем не менее, в ряде случаев, когда
влияние этих факторов не существенно, можно использовать аналитические методы решения. Аналитическое решение состоит в получении явной формулы, содержащей элементарные или специальные
функции. Последние связаны с решением некоторых обыкновенных
дифференциальных уравнений (Бесселя, Матье и др.).
1.1. Аналитические методы решения задач теплопроводности
В настоящее время для получения аналитического решения
применяются методы разделения переменных (метод Фурье), функций источников (функций Грина), тепловых потенциалов и интегральных преобразований [2].
Классические методы решения краевых задач, изложенные выше, обладают рядом недостатков: они требуют определенной изобретательности, дают решения, малопригодные для числовых расчетов и
т. п.
Методы интегральных преобразований (например, интегральное преобразование Лапласа) обладают рядом преимуществ перед
57
классическими методами: они стандартны, позволяют получать решения в удобном для расчета виде (например, для малых и больших
значений независимой переменной); использование таблиц изображения функций ускоряет и упрощает процесс нахождения решения и т.
д. Наряду с очевидными достоинствами интегральные преобразования имеют общий существенный недостаток: они применимы лишь к
линейным уравнениям.
Область применения точных аналитических методов для исследования процессов переноса весьма ограничена. В основном она
включает линейные одномерные задачи теплопроводности и диффузии. Некоторое расширение этой области достигается в результате
линеаризации исходной нелинейной задачи, а также использование
приближенных методов. В отдельных случаях могут быть получены
аналитические решения для многомерных и нелинейных задач переноса, однако громоздкость этих решений существенно снижает их
практическую ценность.
Численные методы решения задач теплопроводности
Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время
сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов
позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу.
Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.
В последние годы в связи с прогрессом вычислительной техники все более широко для исследования процессов теплопереноса
применяются численные методы - метод конечных разностей (МКР),
метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов
(МГЭ) и их сочетание с другими численными и аналитическими методами [3]. Из численных методов, получивших широкое распространение, является метод сеток или разностный метод, с помощью которого можно решать как линейные, так и нелинейные дифференциальные и интегро-дифференциальные уравнения. Его использование дает
возможность отказаться от упрощений математической модели процессов переноса, причем решение может быть получено с любой на-
58
перед заданной степенью точности. Существенное достоинство метода сеток – повторяемость одинаковых математических операций, что
является благоприятным фактором для применения современной вычислительной техники.
Достаточно подробное изложение теории МКР можно найти в
монографиях [4, 5]. Для реализации модульного принципа программирования при решении многомерных краевых задач наиболее предпочтительным является применение метода расщепления [4], позволяющего заменить решение сложной задачи последовательным решением более простых задач. Разностная схема, построенная с помощью
метода расщепления, называется экономичной, если для определения
решения с заданной точностью ε> 0 она требует минимального количества операций, число которых возрастает пропорционально росту
числа узлов разностной сетки [5]. Расщепление краевых задач можно
осуществить тремя различными способами. Первый способ – покомпонентное (геометрическое) расщепление, которое сводит решение
исходной задачи к последовательному решению на каждом временном слое задач меньшей размерности, вплоть до одномерных. Второй
способ – физическое расщепление, которое состоит в последовательном решении на каждом временном слое цепочки краевых задач, каждая из которых учитывает лишь некоторую сторону реального физического процесса. И, наконец, третий способ – аналитическое расщепление основан на идее пересчета с целью повышения порядка аппроксимации или восстановления консервативности [6].
Второй численный метод решения многомерных краевых задач,
который можно выделить – это МКЭ [7].
Он начал интенсивно развиваться с середины 60–х годов и стал
сейчас достаточно эффективным способом численного решения многих задач для уравнений в частных производных различного типа.С
точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных
элементов заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из
которых определена на своей подобласти. С развитием вычислительных средств возможности метода постоянно расширяются, также
расширяется и класс решаемых задач.
Метод конечных элементов (МКЭ) является проекционным методом, предназначенным для решения задач, для которых модель
59
объекта задается системой дифференциальных уравнений в частных
производных с заданными краевыми условиями. По сравнению с
МКР этот метод позволяет получать численные решения широкого
класса задач в областях сложной геометрической формы без особых
затруднений. Он удобен для программирования и позволяет учитывать дополнительную информацию о решаемой задаче в тех случаях,
когда удается получить обоснование его применимости.
Вместе с тем для решения достаточно широкого круга задач,
описываемых дифференциальными уравнениями Лапласа или Пуассона весьма эффективным является применение метода граничных
элементов(МГЭ). В отличие от МКЭ, численная реализация которого
связана с необходимостью аппроксимации искомой функциине только награнице, но и в самой области, метод граничных элементов позволяет получить решение в любойточке области Ω, основываясь
лишь на информации о значениях функции или ее производных награнице этой области. Таким образом, размерность решаемой задачи
может быть понижена наединицу. Есть и другие особенности, выгодноотличающие МГЭ от МКЭ при решении указанного типа задач.
Практическая реализация как МКЭ, так иМГЭ тесно связана с
проблемой построения расчетной сетки в области, если используется
МКЭ,или на ее границе, если применяется МГЭ. Известно, что плоская область всегда можетбыть разбита на подобласти треугольной
формы,причем так, что треугольники не будут накладываться друг на
друга.С другой стороны поверхность любого объемного тела может
быть аппроксимирована набором плоских фигур. Такимобразом, задача построения на поверхности сетки треугольных элементов (триангуляция поверхности) может быть сведена к задаче триангуляции
плоской области. В настоящее времяразработаны эффективные и надежные алгоритмы триангуляции плоских областей, имеющихдостаточно сложную геометрию (острые углы,вогнутости, внутренние вырезы и т.п.). В связи сэтим применение описанного подхода к построению триангуляции на поверхности объемного тела гарантирует
получение желаемого результата - сетки граничных элементов.
1.2. Пакеты прикладных программ для решения задач
теплопереноса
На современном этапе научных исследований вычислительный
эксперимент является одним из важных направлений при изучении
60
задач аэродинамики, тепломассообмена и горения. Информация,
полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только
правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые,
например, на экспериментальных установках, но и в некоторых
случаях заменить физический или натуральный эксперимент
компьютерным как более дешевым.
Иногда компьютерный эксперимент является единственно
возможным. Учитывая дальнейший прогресс в области развития
вычислительной техники, можно ожидать, что в ближайшем будущем
возрастет роль компьютерного моделирования как в создании новых
образцов промышленности, так и в исследовании процессов и
явлений, происходящих в окружающем нас мире.
Разработкой методов расчета и особенно созданием программ и
пакетов прикладных программ для решения научно-технических
задач занято большое число исследователей. Ввиду разнообразия
задач при создании программ даже по одному алгоритму или
численному методу неизбежен параллелизм в работе, когда различные
исследователи при создании программ вынуждены проделывать всю
работу от начала до конца.
Простой анализ показывает, что у различных созданных
программ имеются общие части, которые целесообразно однократно
запрограммировать и в дальнейшем многократно использовать. С
другой стороны, расширение класса задач требует создания большого
числа программ одноразового (несерийного) использования. Это
обусловливает неоправданные затраты ресурсов (умственных,
компьютерных) на создание и отладку программ.
Кроме того, замедляется и сам процесс исследований. Данные
обстоятельства приводят к необходимости перехода на другой путь
создания программ, а именно на создание пакетов программ,
ориентированных на решение целых классов задач. Сейчас созданы и
успешно развиваются пакеты программ для решения отдельных
классов задач математической физики.
В настоящее время широкое распространение получили пакеты
вычислительной гидродинамики, тепломассообмена, прочности и
электродинамики для проведения инженерных расчетов. Среди них
можно выделить такие, как FLUENT, COMSOL, ANSYS, COSMOS,
STAR-CD, MSC/NASTRAN, ABAQUS, MSC/MARC, MAGMASOFT
61
и другие.
Пакет FLUENT характеризуется следующими возможностями:
•моделирование 2D плоских, 2D осесимметричных, 2D
осесимметричных закрученных и 3D потоков;
•использование неструктурированных сеток;
•моделирование установившихся или нестационарных течений;
• моделирование всех скоростных режимов;
•моделирование невязких, ламинарных и турбулентных потоков;
•моделирование течений ньютоновских и неньютоновских
жидкостей;
• широкий набор моделей турбулентности;
•моделирование теплопереноса, включая различные виды
конвекции, сопряженный теплообмен и излучение;
•использование
моделей
горения
перемешанных
и
неперемешанных химических компонентов, моделей поверхностного
осаждения и гетерогенных реакций;
• использование моделей потоков со свободной поверхностью и
многофазных течений, включая теплоперенос и химические реакции;
•вычисление траекторий частиц в лагранжевом подходе описания
дисперсных потоков, включая модели развития тонких пленок и
образования аэрозолей;
•использование моделей фазовых переходов для приложений,
рассматривающих плавление/затвердевание, эффекты кавитации и
образования влажного пара;
•моделирование
пористых
сред
с
анизотропной
проницаемостью,
сопротивлением,
теплопроводностью
и
возможностью вычисления скоростей в порах;
• использование специальных моделей для вентиляторов,
радиаторов и теплообменников;
• использование динамических сеток для моделирования
потоков вокруг движущихся объектов;
• использование стационарных, вращающихся и ускоряющихся
систем отсчета;
• широкий набор средств моделирования аэроакустики;
• возможность включения в модель объемных источников
массы, импульса, тепла и химических реакций;
• возможность индивидуальной подстройки численной модели
62
через определяемые пользователем функции.
В пакете имеются средства автоматической и ручной
балансировки нагрузки на параллельно работающих процессах.
Помимо вычислительного модуля FLUENT вместе с пакетом
поставляются средства подготовки сеток для рассматриваемых задач –
GAMBIT и TGrid.
Широкий спектр физических моделей FLUENT позволяет
решать самые разнообразные задачи — от обтекания крыла самолета
до горения в коксовых печах, от расчета процессов в барботажных
колоннах до производства стекла, от течения жидкости в кровеносных
сосудах до изготовления полупроводниковых приборов и т.п. Такие
возможности FLUENT, как постоянно развивающиеся модели
турбулентности, горения, многофазных течений и течений со
свободными границами, а также подвижные (деформируемые) и
перестраиваемые сетки, значительно расширяют область его
применения. В настоящее время компания предлагает следующий
пакет программ для решения задач вычислительной гидродинамики:
FLUENT, FIDAP и POLYFLOW – для промышленного
использования и FloWizard – для экспресс-анализа гидравлических
характеристик проектируемой конструкции. Кроме того, существует
специальная версия FLUENT, интегрированная в CAD-систему
CATIA V5. Для учебных целей образовательным учреждениям
предоставляется программный комплекс FlowLab.
В настоящее время FLUENT – современный, универсальный
программный комплекс, предназначенный для решения задач
механики жидкостей и газов. Он является лидером рынка
коммерческих
CFD
программ.
FLUENT
использует
неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что сетка
может
состоять
из
элементов
разнообразной
формы:
четырехугольников и треугольников для 2-мерных моделей и
гексаэдров, тетраэдров, призм и пирамид для трехмерных моделей.
Сложные численные схемы и мощный решатель гарантируют точные
результаты FLUENT. Возможность использования матричного
алгоритма совместного (coupled) решения основных уравнений
повышает устойчивость численного решения, а применение noniteractive временной схемы значительно уменьшает время решения
для переходных процессов.
63
Компания The COMSOL Group основана в 1986 году (город
Стокгольм, Швеция) и в настоящее время стабильно развивается выпуская на рынок специализированнное программное обеспечение для
моделирования в сфере высоких технологий. Представительства компании находятся в Дании, Финляндии, Франции, Германии, Нидерландов, Норвегии, Индии, Италии, Швейцарии, Соединенного Королевства и США.
В основе пакета COMSOL Multiphysics входят комплект модулей, которые позволяют решать различные прикладные задачи, например, моделирование механических воздействий в MEMS устройствах, преобразование электрической энергии в трасформаторах, отвод тепла, а так же моделировать самые различные приложения: жидкостные потоки, распределение тепла, электромагнитные и акустические эффекты. Моделирование может учитывать различные свойства
материалов, источники воздействия и граничные условия.
Основные модули пакета COMSOL Multiphysics.
Structural Mechanics Module.
Предназначен для анализа систем и компонентов при деформировании твёрдых тел. Для рассмотрения специфических конструкций
применяются модели оболочек, балок и пластин. Модуль позволяет
решить статические и динамические задачи, в частности, рассчитать
собственные колебания, провести квазистатический анализ, определить частотно-зависимый отклик системы. 3D- и 2D-модели воспроизводят плосконапряженное, плоскодеформированное, осесимметричное состояния с учётом упруго-пластического и гиперпластического материала, а также больших деформаций. Данный модуль обеспечивает взаимодействие с другими модулями в целях анализа конструкций при действии различных физических эффектов.
Примеры применения и анализа: расчёт конструкции при акустическом воздействии; биомеханика и биоинжиниринг; устойчивость; упруго-пластический и гиперупругий анализ; расчёт электромеханических устройств; механика разрушения; мультифизический
контакт; пьезоэлектрический эффект; механика полимеров; оптические эффекты при деформировании; трение с учётом температуры;
термо-напряжённые конструкции; вязко-упругость и термическая
ползучесть; вязкопластичность.
Heat Transfer Module.
64
Модуль, рассматривающий теплоперенос при помощи теплопроводности, конвекции и излучения.
Возможен расчёт излучения между поверхностями, неизотермического теплового потока, теплообмена в тонкослойных и оболочечных конструкциях, теплопереноса в биотканях.
Примеры применения: тепловая терапия в биоинженерии; литьё
и другие термические процессы; конвекционное охлаждение в электронике и силовой электротехнике;сушка и сублимационная сушка;
приготовление пищи, охлаждение и стерилизация; сварка трением;
расчёт печей и горелок; расчёт теплообменников; обогрев, вентиляция и кондиционирование в строительстве; термообработка; расчёт
тормозных дисков, рёбер охлаждения и выхлопных труб; процессы с
излучением в вакууме; сварка.
Acoustics Module.
Решение мирового уровня для моделирования акустических явлений. Лёгкий в использовании, модуль позволяет рассчитывать распространение волн в воздухе, воде и других средах, в том числе в
грунте. Предназначен специально для расчёта с позиций классической акустики устройств, производящих, измеряющих и использующих акустические волны.
Примеры применения: акустическое воздействие на конструкцию; аэроакустика; слуховые аппараты; громкоговорители и микрофоны; медицинский ультразвук и воздействие на ткани организма;
акустические датчики; шумовые и вибрационные характеристики
промышленных установок; уменьшение шумовыделения; неразрушающий контроль; звуковая локация.
Chemical Engineering Module.
Совершенное средство анализа химических и связанных процессов. Модуль особенно удобен при рассмотрении процессов с одновременным учётом механики жидкостей и газов или транспортировки массы (энергии) и химической кинетики.
Примеры применения: химические реакторы, биореакторы и
кристаллизаторы; хроматография и электрофорез; коррозия; циклоны,
сепараторы, поглотители, травители; фильтрация и осаждение; топливные элементы и батареи; теплообменники и миксеры; гомогенное
и гетерогенное двухфазное течение; микроэлектроника; мультикомпоненты и мембранный перенос; течение со структурным ядром и
65
трубчатые реакторы; полимеризация и динамика неньютоновых жидкостей; двигатели внутреннего сгорания;реформинг и каталитические
конвертеры.
Earth Science Module.
Модуль для анализа подземных течений. Создан специально
для исследования течения нефти и газа в пористой среде, моделирования подземных стоков, распространения загрязнения через грунт.
Реализованы уравнения Ричардса, Навье-Стокса, Дарси и Бринкмана.
Примеры применения: течение, адвекция и диффузия в лиманах
и прибрежных полосах; хранение газа; магнитогидродинамика магмы; механическая и гравитационная сушка пористых и волокнистых
материалов; нефтедобыча; загрязнение под землёй, на поверхности
земли и в атмосфере; уплотнение и осадка пористых упругих сред, их
напряжённое состояние и разрушение; насыщенный и ненасыщенный
поток в пористой среде; течение на мелководье и транспортировка
осадков; одно- и многофазное течение сквозь пористую среду; анализ
горизонта грунтовых вод и вторжение солёных вод; анализ устья
скважины.
Optimization Lab.
Обеспечивает современный уровень в широком диапазоне задач
оптимизации в комбинации с другими модулями COMSOL
Multiphysics. Включает топологическую оптимизацию и инверсное
моделирование.
Примеры применения: оптимизация толщины маховика для получения равномерного поля радиальных напряжений; оптмизация
степени пористости материала для минимизации скорости потока;
оптимизация каталитического микрореактора для максимизации скорости реакции в растворе; выявление параметра SPICE полупроводникового диода при использовании инверсного моделирования; топологическая оптимизация конструкции типа «колено»; оптимизация
формы рупора с точки зрения уровня удалённого звука; оценка термического рассеяния в набивке фильтра на основе метода наименьших квадратов; определение пространственно изменяемой гидравлической проводимости насоса водоносного пласта; оптимизация формы дипольной антенны; анализ чувствительности S-параметра и оптимизация 90-градусного микроволнового гнутого волновода; опре-
66
деление критической скорости разделения вала и соединённого с ним
устройства.
COMSOL Multiphysics обеспечивает эффективный обмен данными с популярными продуктами геометрического моделирования
(Autodesk, Inventor, SolidWorks, CATIA, Pro/E, NX, SolidEdge и т.д.).
Уникальной чертой пакета является способность использовать возможности MATLAB.
ANSYS – это многофункциональный программный комплекс
конечно-элементных расчетов. Включает в себя модули расчетов
прочности и динамики, температурных полей, гидрогазодинамики,
электростатики /электромагнетизма, оптимизации, вероятностных
расчетов, высоконелинейных расчетов и многие другие.
Программный комплекс представляет собой интегрированный
набор отдельных модулей. Выпускается множество версий данного
комплекса, которые различаются между собой включенными модулями и охватываемыми предметными областями. Наиболее часто используемые из них:
−ANSYS Multiphysics – наиболее полная комплектация комплекса,
включающая в себя все возможные физические дисциплины;
−ANSYS Mechanical – нацелена на проведение расчетов в области механики для широкого круга инженерных задач машиностроения;
−ANSYS CFX – предназначена для решения задач из сфер гидрогазодинамики, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена.
Программный комплекс ANSYS аттестован по многим международным стандартам, а также стандартам Госатомнадзора России и
американской атомной промышленности. Продукты из состава комплекса ANSYS широко применяются во многих отраслях промышленности:
− авиация и космос;
− биомедицинские устройства;
− вентиляция и кондиционирование;
− нефтехимическая и газовая отрасль;
− общее машиностроение;
67
− охрана окружающей среды;
− приборостроение;
− строительство;
− судостроение и гидротехнические сооружения;
− транспорт;
− турбомашиностроение;
− энергетика.
Возможности программного комплекса. Программный комплекс ANSYS включает:
а) средства подготовка моделей;
б) методы решения (солверы);
в) подсистемы визуализации и обработки результатов, генерирования HTML-отчетов;
г) встроенные язык программирования и командный язык.
Компанией ANSYS была создана унифицированная программная платформа ANSYS Workbench, которая предназначена для интегрирования в едином информационном пространстве проекта линейки
программных продуктов ANSYS, прикладных пользовательских и
написанных сторонними разработчиками программ инженерного анализа. Эта программная платформа выводит процесс моделирования
на новый современный уровень. Применение Workbench делает моделирование более наглядными, а некоторые манипуляции, в частности,
настройку контактных пар, управление сеткой конечных элементов,
более простыми, что важно для начинающих пользователей.
Workbench более адаптивен к различным пакетам CAD и CAE,
имеет встроенный генератор отчётов. Однако следует отметить, что
пока Workbench не предоставляет пользователю всех возможностей
ANSYS и автоматизирует некоторые важные операции, например выбор типа конечного элемента, что не всегда бывает удобным. Компания ANSYS, Inc. интенсивно развивает Workbench как в части совершенствования графического интерфейса, так и в части расширения
возможностей платформы.
2. Анализ современных конструкций, использующихся в
малоэтажном домостроении
68
Рынок малоэтажного домостроения всегда имел положительную динамику, и рост его с 2000 г. составил более 40 %. Россия находится на пороге тех перемен, которые уже произошли на Западе –
люди постепенно перебираются из больших городов за их пределы, и
доступность собственного жилья должна расти в основном благодаря
развитию индустриального малоэтажного домостроения.
Современное производство домов должно отвечать следующим
требованиям:
− использовать современные технологии для производства конструкционных элементов домов, позволяющие на стадии планирования максимально предусмотреть и реализовать в процессе производства все коммуникации, включая электро- и водоснабжение и канализацию;
− выпускать дома высокого качества. Определяющим фактором
качества дома остается качество сборки конструкционных элементов.
При этом стоит отметить тот факт, что максимальное качество сборки
элементов должно достигаться повышением автоматизации процесса
сборки и снижением объема работ "в поле" для исключения природного и человеческого факторов, влияющих на качество дома;
− использовать современные материалы и комплектующие, такие как плиты OSB, новые минеральные утеплители и т.д. На настоящий момент развитие производства, связанного с каркасной и объемно-модульной технологией, ограничено из-за отсутствия дешевого и
качественного листового материала;
− предусматривать возможность производства домов разной
конфигурации и комплектации по индивидуальному плану. Покупатель должен реализовать свои фантазии при составлении плана своего
дома, т.е. производственный процесс должен быть гибким;
− дом должен соответствовать самым высоким требованиям,
предъявляемым к подобным сооружениям, а именно отвечать высочайшим требованиям пожарной безопасности, сейсмоустойчивости,
экологичности и экономичности, а главное, дом должен быть доступен основной массе россиян.
Хотя строгой классификации в технологии строительства малоэтажных домов не существует, принято считать, что строятся такие
дома, как правило, с использованием следующих технологий, опреде-
69
ляемых теплофизическими характеристиками и качеством исходных
материалов:
сборные, сборно-монолитные (со съемной и несъемной опалубкой), монолитные, блочные.
Рис.1. Этапы строительства в каркасном домостроении
3. Метод решения задачи и анализ результатов расчета
Для численного решения рассматриваемого класса задач использовался программный комплекс ANSYS – универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, которая является довольно популярной [2, 3] у специалистов в области компьютерного инжиниринга (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов
70
конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных
полей.
Этапы решения для различного класса задач практически одинаковы и достаточно подробно изложены в многочисленной русскоязычной литературе по
ANSYS, например [2,
3].
В настоящей работе для расчета 2-х
мерных задач использовались
элементы
типа
PLANE55
и
PLANE77, а при расчете пространственных задач элементы
типа
SOLID87
и
SOLID90. Исследование
температурных
полей в двумерном
случае проводилось в
практически экстре(a)
мальных условиях те(b)
плообмена – темпераРис. 2. Температурное поле в угловом фрагтура наружного возменте конструкции
о
духа задавалась -40 С,
а внутреннего +20 оС.
При этом коэффициенты теплоотдачи соответствовали параметрам
СНиП
для
(
наружных
ограждений
)
(
)
α out =23 Вт м 2 ⋅ o С ,
а
αint =8,7 Вт м2 ⋅ o С .
Рис. 2 иллюстрирует поля температур (теплограммы) для теплового моста, представленного на рис.1 (а) в двух случаях: (a) - угол в
конструкции внешний, и (b) – угол внутренний. Анализ представленных результатов показывает, что распределение температуры как на
внутренней, так и внешней, поверхностях ограждающей конструкции
71
является неравномерным. Эту неравномерность вносят конструктивные элементы из деревянных брусков, имеющих больший коэффициент теплопроводности, чем утеплитель и, конечно, сами углы. При
этом температура угла в случае (а) составляет 13,2 оС, что при рассматриваемых условиях эксплуатации исключает образование конденсата до относительной влажности 65%. Элементы из дерева, в окрестности которых также наблюдается заметное отклонение температуры от температуры на глади стены (Δt>2 оС), выступают в качестве
«мостиков холода». Внутренний же угол такой конструкции не создает проблем.
Исследование влияния теплопроводности утеплителя показало,
что с повышением λ температура во внутреннем углу углового фрагмента заметно понижается и при этом не по линейному закону. Так,
для модельного утеплителя с λ=0,005 Вт/(м оС) температура в углу
равна t=15,32 ºС, для пеноплекса с λ=0.027 Вт/(м оС)) – t=13,22 ºС, для
пенопласта с λ=0.052 Вт/(м оС)) – t=11.93 ºС и для вермикулита с
λ=0.082 Вт/(м оС)) – t=10.73 ºС.
Несомненный интерес представляет величина и направление
тепловых потоков. Здесь интуитивно все кажется понятным, но иллюстративный материал, приведенный на
рис. 3 позволяет представить качественную
картину процесса и
увидеть, как меняется
величина этих потоков.
На
рис.
3-а
представлена картина
распределения тепловых
потоков
для
внешнего угла, а рис.
3-б – для внутреннего.
(a)
(б)
Как в том, так и в друРис. 3. Тепловые потоки в угловом фрагменте
гом случае своих макконструкции
симальных значений
тепловой поток дости-
72
гает в углу конструкции, причем эти значения практически одинаковы. Тепловые потоки в областях расположения деревянных брусков
также ярко выражены, но их величина почти в 2 раза меньше, а величина тепловых потоков на глади стены еще примерно в 3 раза меньше. Анализируя полученные результаты можно предлагать различные
варианты уменьшения теплопотерь через эти теплонапряженные участки и способствовать тем самым созданию более экономичной с
энергетической точки зрения конструкции.
Вторым примером тепловых мостов, рассматриваемых в работе,
является соединение перегородки, разделяющей 2 различных комнаты с наружной стеной каркасно-панельного типа. Толщина перегородки выбирается меньше толщины основной стены за счет уменьшения толщины утеплителя (здесь δ=0.1м.). Кроме того предполагается, что температура воздуха в комнатах разная (в верхней относительно перегородки t=20 ºС, а в нижней – t=10 ºС.
Результаты
расчета
представлены на рис.
4. На рис. 4-а
показано поведение изотерм в
рассматриваемом типе теплового моста и
значения темпе(а)
(б)
ратуры
в некотоРис. 4. (a – изотермы теплового моста типа «стена –
характерных
рых
перегородка; b – тепловые потоки в этом фрагменте
точках. Из предконструкции).
ставленного рисунка видно, что
в окрестности стыка (на расстоянии, соответствующем примерно
толщине наружной стены) имеет место существенная деформация
температурного поля. В дальнейшем изотермы выравниваются во
всех направлениях, что говорит о линейном характере распределения
температуры по толщине плоской стенки. В угловой точке стыка
верхней комнаты температура равна 15,99 ºС , что намного превышает температуру точки росы для всех режимов влажности помещения.
73
В холодной комнате температура в угловой точке равна 8,0 ºС, а температура точки росы при температуре 10 ºС и относительной влажности 85% составляет 7,6 ºС. Таким образом риска образования конденсата в заданных условиях нет.
Более разреженное расположение изотерм в перегородке говорит о том, что ее поперечном направлении градиент температуры является незначительным.
Сосновый брусок, расположенный в наружной стене посередине перегородки снова выступает в качестве «мостика холода». На наружной поверхности панели в окрестности этой деревянной вставки
температура оказывается более высокой.
Рис. 4-б иллюстрирует направление тепловых потоков и их значение в некоторых характерных точках. Из рисунка видно, что тепловые потоки, выходящие из углов стыка, пересекаются и имеют различную интенсивность. В дальнейшем эти потоки объединяются, и
суммарный поток начинает двигаться вдоль деревянной вставки. Значения теплового потока на глади элементов рассматриваемой конструкции сохраняются практически постоянными, хотя и отличаются на
различных поверхностях конструкции.
Таким образом, анализ расчета рассмотренных двумерных тепловых мостов позволяет сделать вывод о том, что с помощью программного комплекса ANSYS можно проводить численный анализ
теплового состояния сложных многослойных конструкций в различных условиях эксплуатации и на его основе давать рекомендации,
позволяющие уменьшить общие теплопотери конструкции.
При численном моделировании тепловых мостов строительных
конструкций согласно СНиПам РФ и европейским стандартам ISO на
внутренней поверхностности конструкции величина коэффициента
теплоотдачи (αint) не является постоянной. В зависимости от цели моделирования (расчет теплопотерь или оценка риска конденсации), в
зависимости от направления теплового потока и типа строительного
элемента (например, стеклопакет), а также положения (например, в
углу) необходимо рассматривать различные значения коэффициента
теплоотдачи. Величина αint зависит от многих факторов и даже в пределах одной поверхности строительной конструкции может заметно
изменяться.
74
Многочисленные наблюдения показывают, что температура
достигает своего минимального значения в углу строительной конструкции, где значение αint оказывается меньше, чем на глади стены.
Поэтому при исследовании теплового моста, представленного на рис.
2, особое внимание для оценки риска конденсации было уделено
влиянию αint на минимальную температуру внутренней поверхности
теплового моста, т.е. на температуру угла
На рис. 5 показаны результаты расчета стационарных температурных полей и значения температуры в некоторых характерных точках для рассматриваемой пространственной конструкции при температуре наружного воздуха -40ºС, коэффициент теплоотдачи со стороны
(
)
α out =23 Вт м 2 ⋅ o С ,
стен
(
)
а
со
стороны
потолка
α out =12 Вт м2 ⋅ o С , что соответствует параметрам СНиП для наружных ограждений. При
этом температура воздуха
над потолком задавалась 36 оС , т.е. была на 10%
выше наружной. Температура воздуха внутри комнаты задавалась +20 оС, а
коэффициент теплоотдачи
полагался
равным
(
4
3
2
1
)
αint =8.7 Вт м2 ⋅ o С .
Из представленного
рисунка видно, что на
внутренней поверхности
конструкции именно в углу температура оказывается минимальной. Поэтому
область угла
является
наиболее опасным местом
с точки зрения образования конденсата на внутренней поверхности. Дей-
Рис. 5. Зависимость tугл. от α int при различных температурах наружного воздуха.
(кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют температурам -40, -20, 0, 30 оС).
75
ствительно, при температуре угла +8.1 оС образование конденсата невозможно только для относительной влажности менее 50%.
Рисунок 5 иллюстрирует влияние αint на температуру угла при
различных температурах наружного воздуха. Из представленных рисунков видно, что при tout.= -40 оС вероятность образования конденсата велика даже для этой утепленной конструкции, т.к. точка росы при
нормальной влажности и температуре внутреннего воздуха 20 оС составляет 10.7 оС. Анализ распределения температуры t(x,y) на внутренней поверхности конструкции при различных значениях z показывает, что в области угла наблюдается значительное падение температуры (скачок). Аналогичная картина наблюдается, если приближаться
к углу в направлении оси z. При этом следует отметить, что размеры
области резкого падения температуры достаточно малы. Однако, учитывая то, что при приближении к углу уменьшается и коэффициент
теплоотдачи, на основании результатов, представленных на рис. 5,
можно утверждать, что размеры этой области при низких температурах наружного воздуха будут заметно больше.
Литература
1. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие
конструкции и микроклимат зданий): Уч. пособие для инж.-строит,
вузов. . М.: «Высш. школа», 1974. . 320 с.
2. Standaert P. Proposal for using a nominal temperature factor and
a nominal linear transmittance in thermal bridge evaluations // Kopractice
physibl. .2002. №11. –P.1-13.
3. Каплун А.Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство.. М.: Едиториал УРСС,
2003. - 272 с.
4. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер
Пресс, 2002. −224 с.
5. Фудобин С.А., Козлобродов А.Н, Цветков Д. Н. Влияние коэффициента теплоотдачи на температуру 3-х мерного угла ограждающей конструкции. // Современная техника и технологии: сборник
трудов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых. В 3 т. Т.3/ Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010.- с.
228-229.
76
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА «БИЗОН»
Ю.В. Шефер, директор ООО «Дом в Томске», А.Н. Лихачев, гл технолог
ООО «Дом в Томске», С.А. Лукьянчиков, к.т.н., доцент ТГАСУ
В каждом районе и городе страны, в реестр непригодных для
проживания включены десятки и сотни домов, в которых проживают
сотни и тысячи человек.
После составления реестров и анализа площадей, необходимых
для расселения, выясняется, что имеющиеся проекты жилых зданий и
предлагаемые на строительном рынке технологии, не позволяют в
полном объёме, проектировать, строить и, соответственно, предоставить людям площади равноценные, взамен имеющиеся у них. Предоставлять квартиры меньшей площади недопустимо, а предоставление квартир большей площади приведёт к перерасходу денежных
средств, выделяемых из бюджета, ввиду того, что категории граждан,
переселяемых из ветхих домов, в основном неплатежеспособны.
С января 2011г. проектировать и строить можно только здания с
классом энергоэффективности не ниже «В» (высокий), что очень
сильно сужает выбор проектов, технологий и строительных фирм,
способных реализовать данное условие.
После проведенного анализа существующих на строительном
рынке нашей страны технологий, учитывая мировой опыт и тенденции в строительстве, мы пришли к пониманию того, что строить нужно без несущих стен! Так это делает весь мир.
Для этого нам необходимо было разработать новую технологию
строительства, применимую к нашей реальности с учетом Федерального Закона № 261.
Новое здание должно удовлетворять следующим характеристикам:
• оно должно отвечать современным мировым требованиям по
энергоэффективности: потери через ограждающие конструкции и
вентиляцию не более: 15 кВт в час на 1 метр кубический в год;
• отказ от традиционной системы отопления: нет подключения
к центральной системе отопления или устройство собственной котельной, т.е. нет технологического подключения, отсутствует тепловой узел, общедомовой счётчик тепла, радиаторы отопления, трубы,
77
стояки, запорная и регулирующая арматура, квартирные счётчики
тепла и как следствие отсутствие платежей как за теплоноситель или
топливо, так и за обслуживание и капремонт;
• обеспечение огнестойкости конструкции стен и перекрытий
более 180 минут;
• здание может долго находиться в зоне подтопления, без причинения ему какого либо вреда;
• сейсмическая устойчивость – может выдерживать землетрясение любой силы, возможной на земле;
• долговечность конструкций: отдельных деталей 100 и более
лет, а несущих конструкций здания – практически не ограничена;
• предусмотреть защиту от коррозии и блуждающих токов;
• электрогенератор, в случаи аварии на электросетях, должен
обеспечивать бесперебойную работу: охранно-пожарных систем, освещения квартир, лестниц, преддомовой территории, работу приточно-вытяжных вентиляторов и холодильников в квартирах жителей.
• себестоимость строительства должна быть не выше 20 тысяч
рублей за 1 кв. м.
Как мы надеемся, это будет новая строительная серия, названная нами «БИЗОН». Согласно 261 Федеральному Закону и СНиП 2302-2003 класс энергоэффективности предлагаемых жилых зданий,
заявляется нами как «А» (очень высокий).
Сущность технологии следующая: это «плавающий» каркас
здания из трубобетона, с возможностью практически любой планировки и высоты этажа. Здание состоит как минимум из двух каркасов.
Внутренний, несущий, каркас здания: колоны, ригеля и сформированные межэтажные перекрытия, выполнены из металлических труб
прямоугольного сечения, заполненных бетоном, где параметры трубы
и марка бетона определяется исходя из высоты здания и длины пролётов. Внешний каркас – совмещает функции каркаса для крепления
листов несъёмной опалубки и одновременно устройства для крепления плиток керамогранита. Расстояние между каркасами может быть
от 10 см и выше, по толщине заполняемого монолитного полистиролбетона. В межопалубочном пространстве, до заливки, прокладываются инженерные коммуникации: трубы, канализация, электрика, слаботочка. В наружных стенах, справа и слева от окон, вертикально, про-
78
ходят вентиляционные каналы приточной вентиляции. По ним в жилые комнаты и кухню подаётся чистый воздух. Зимой воздух подогревается, а летом охлаждается до комфортной температуры. Это
можно назвать воздушным отоплением зимой и системой кондиционирования летом. На последнем этаже стены, с утолщением, переходят в мансардную крышу.
На устройство наружных стен с облицовкой керамогранитом
получен патент на полезную модель № 97147. Поданы ещё две заявки
на полезные модели, а несколько разработок решено оставить как
ноу-хау фирмы.
Дальше необходимо рассказать о полистиролбетоне. Многие
считают, что знают, как устроен полистиролбетон. Если быть совсем
точным, то мы бы назвали этот материал: полистирол-воздухо-бетон.
Для приготовления полистиролбетона используются: цемент, вода,
шарики вспененного пенополистирола и воздухововлекающая смола.
В процессе приготовления смеси, в цементное молоко вовлекаются
мельчайшие пузырьки воздуха. Шарики пенополистирола нужны для
равномерного распределения пузырьков в цементной матрице. Благодаря этому объёмный вес полистиролбетона по всему монолитно залитому объёму равномерен, и лишь незначительно отличается по высоте заливки.
Очень важно правильно вспенить пенополистирол, до такой оптимальной плотности, когда после сдавливания пенополистирола он
снова принимает форму шара. Ни в коем случаи нельзя добавлять так
называемую «дроблёнку», измельченные отходы или обрезки производства пенополистирола.
Самое большое влияние на качество и технические характеристики полистиролбетона оказывает воздухововлекающая добавка –
смола древесная омыленная. Судя по публикациям, в Германии удалось добиться 500 циклов замораживания-оттаивания, полистиролбетона, после которого не происходило разрушения материала под проектной нагрузкой.
По нашим расчетам для комфортного, безопасного и энергоэффективного проживания, в нашем регионе, необходимо применять в
ограждающих конструкциях монолитный полистиролбетон марки D250 толщиной 0,6 м. Так весь дом: фундамент, все стены, перекрытия,
79
крыша залиты монолитно, отсутствуют «мостики холода», и весь этот
массив полистиролбетона, по сути, является аккумулятором тепла.
В таком доме тепло зимой и прохладно летом, как в деревянном.
Отдельно хочется сказать о горючести и огнестойкости монолитного полистиролбетона, залитого в несъемную опалубку.
Для нашего производства мы применяем только пищевые самозатухающие марки пенополистирола. Так при контакте с открытым
огнём шарики пенополистирола в цементной матрице как бы исчезают. Так как шарик пенополистирола состоит по объёму, на 98% из
воздуха, то он полностью сгорает в избыточной атмосфере кислорода
воздуха, соприкасаясь с воздухом не только с наружи, но и изнутри.
В процессе реакции окисления образуются углекислый газ и
вода. Углекислый газ препятствует горению, а вода в момент образования, переходя в пар пиково «отбирает» теплоту, препятствуя дальнейшему разрушение шариков внутри массива.
Помещая несущие конструкции здания в монолитно залитый
полистиролбетон, получаем практически вечный каркас.
Применяя в качестве листов несъёмной опалубки цементномагнезитовые плиты, толщиной 12 мм, которые относятся к негорючим материалам и имеют предел огнестойкости EI 90, что позволяет,
по нормативам, применять их в зданиях высотой до 150 метров. Таким образом, ЦМП защищает полистиролбетон от открытого огня и
дополнительно защищает несущие конструкции здания: колонны, ригеля, перекрытия от воздействия высоких температур и, соответственно, разрушения.
Теперь немного о керамограните. В нем совмещен металокаркас наружный части несъёмной опалубки и подвесная система для
крепления керамогранита. Наружные листы несъёмной опалубки крепятся к направляющим профилям вытяжными заклёпками, сразу через кляммер. Затем сразу можно задвигать в них плитки керамогранита. Устанавливаются окна и балконные двери. Каркас здания получается облаченным как бы в «скорлупу». Фасад здания принимает готовый вид. Затем можно заниматься устройством внутренних коммуникаций, заливкой стен и перекрытий полистиролбетоном, отделкой, не
опасаясь ни ветра, ни дождя, ни мороза.
80
Зазор между керамогранитом и опалубкой получается равным
толщине кляммера (2 мм). Таким образом, мы получаем не трёхслойную а пятислойную конструкцию стен. Где кроме двух 12 мм листов
опалубки и 600 мм слоя полистиролбетона появляется 10 мм керамогранит и 2 мм воздушный слой. Он играет очень важную роль в тепловой и огневой защите стен. Зимой, тепловой поток, выходящий из
квартиры, нагревает воздушный слой, а вследствие маленького зазора
и шероховатости соприкасаемых поверхностей, тёплый воздух может
двигаться вверх только в ламинарном режиме, что проводит к достаточно большому тепловому эффекту.
Летом наоборот, солнечные лучи достаточно сильно нагревают
керамогранит. Воздух, в зазоре, постепенно нагревается, и из ламинарного потока «срывается» в турбулентный, интенсивно охлаждая
при этом поверхность стены.
Кроме того, разнообразие цветовой гаммы и размеров плиток
керамогранита, позволяют дизайнеру в полном объёме реализовать
свои фантазии. Каждое здание можно сделать неповторимым и единственным в своём роде!
На данном этапе в поселке городского типа Промышленная Кемеровской области, уже выделен земельный участок, ведутся проектные работы, согласованны планировки первого 40-квартирного четырёхэтажного энергоэффективного жилого здания под переселение
граждан из домов, непригодных для проживания.
В наружных стенах здания, с северной и южной стороны, будут
смонтированы датчики температуры, по 16 штук, с расстоянием 3÷4
см. В режиме реального времени, на сайте компании, можно будет
увидеть показания этих датчиков. Температуру на улице, внутри массива стены и в жилом помещении. Это будет сделано как в рекламных целях, так и для получения научных данных.
Наша компания заключила договор с испытательным центром
ТГАСУ на комплексное исследование свойств модифицированного
полистиролбетона с получением соответственно протоколов испытаний и сертификатов соответствия.
Готовится материал для защиты кандидатской диссертации на
кафедре «Строительные материалы и технологии» (зав. кафедрой Кудяков Александр Иванович) под руководством Лукьянчикова Сергея
Альбертовича.
81
ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ В ТЕХНОЛОГИИ
СОЗДАНИЯ УТЕПЛЕННОГО БРУСА
Н.А.Цветков, д.т.н., профессор ТГАСУ, Г.Г. Волокитин, д.т.н.,
профессор ТГАСУ, О.Г. Волокитин, к.т.н., доцент ТГАСУ,
Н.А Гиллих, аспирант ТГАСУ, А.Г. Козырев,
директор ООО «ЛЕСИНВЕСТ»
В настоящее время получает широкое распространение строительство домов из клееного бруса, которое имеет ряд неоспоримых
преимуществ перед строительством из бревен и обычного бруса. К
ним можно отнести повышенную прочность; долговечность с исключением появления радиальных и кольцевых трещин, малую усадку,
отсутствие необходимости в дополнительной отделке, высокие эстетические качества и многие другие.
Клееный брус (рис.1) по технологии фирмы «Стилвуд»
получают с существенно завышенным запасом по прочности даже для
строительства трехэтажных домов (почти в 2 раза). Более того,
используются строганные ламели толщиной 30 мм. При этом, грубо,
толщина распиленных досок (заготовок для ламелей) должна
составлять порядка 40 мм. Время сушки (наиболее энергоемкий
процесс) таких заготовок пропорционально квадрату их толщины
(условно 1600 единиц).
Рис. 1. Клееный брус фирмы «Стилвуд»
В этой связи на кафедре «Теплогазоснабжение» ТГАСУ родилась идея изменить толщину ламелей до 20 мм. Время сушки загото-
82
вок, грубо толщиной 30 мм, составит порядка 900 условных единиц.
При этом затраты энергоресурсов на сушку снизятся более, чем на 40
%. Оказалось возможным значительно увеличить и теплозащитные
свойства клееного бруса вставками из эффективного утеплителя
(рис.2). В этом случае: снижается вес бруса (в 1,5 раза); экономится
древесина (более 30 %); увеличивается тепловое сопротивление бруса
(почти в 2 раза); сокращается количество отходов при изготовлении
ламелей на 15 %. Для бруса толщиной 210 мм по технологии «Стилвуд» требуется 7 ламелей, для бруса такой же толщины (рис. 2) требуется 6 ламелей.
Рис. 2. Клееный брус с утепляющими вставками
Разработанная конструкция бруса прошла натурные испытания
в климатической камере университета (рабочий объем 58 м3). На эти
конструкции получено 7 патентов (№ 38793, № 40344, № 49053, №
56430, № 57311, № 85516, № 86207), свидетельство государственной
регистрации программы для ЭВМ № 2008611294), которая необходима для расчета теплозащитных свойств стен, и иных наружных ограждений. Разработаны технические условия для производства бруса с
утепляющими вставками. Более 50 научных статей опубликовано по
результатам выполненных исследований.
Идея дальнейшего снижения энергозатрат и уменьшения отходов при изготовлении клееного бруса с утепляющими вставками за-
83
ключается в том, что появляется возможность уменьшить толщину
заготовок до 23-25 мм для ламелей, если вместо их строгания после
сушки использовать электроплазменную струю. При этом возможно и
улучшение эксплуатационных свойств ламелей.
Ниже приведено обоснование такой технологии и первые результаты исследования воздействия энергии низкотемпературной
плазмы на поверхность древесины различной породы.
На сегодняшний день известны несколько методов термической
обработки древесины. Так, самый первый метод термического воздействия основан на обработке древесины в воздушной среде при
температуре 200-240 °C. Другая технология основана на применении
насыщенного водяного пара при температурах до 185-212°C. Существуют методы термического воздействия на древесину в средах азота
или масла [1].
Каждый указанный метод термической обработки древесины
имеет свои преимущества, но общим недостатком их является длительность процессов и большие затраты тепловой энергии. Использование же плазменных технологий при термической обработке древесины значительно сокращает время воздействия на образцы и как
следствие уменьшает энергозатраты [2]. Предлагаемый метод, основан на использовании высококонцентрированных тепловых потоков,
исключающий общие недостатки известных методов. На кафедре
“Прикладная механика и материаловедение” Томского государственного архитектурно-строительного университета накоплен значительный опыт по созданию плазменного аппаратурного оформления и
созданию защитно-декоративных покрытий, что явилось основой для
проведения дальнейших исследований.
В качестве исходных образцов для термообработки были выбраны три породы древесины: пихта, сосна и осина. Тепловая обработка
поверхностей образцов проводилась на электроплазменной установке,
схема которой представлена на рис. 3 (Авторское свидетельство №
1158021).
Конструктивно установка состоит из плазменного генератора 1,
графитового анода 5 и источника питания постоянного тока. Плазмогенератор с вынесенным анодом расположен в средней части конвейера, при этом катодный узел размещен по оси конвейера и расположен в вертикальном положении формообразующим соплом вверх, в
84
Рис. 3. Схема комплекса оборудования для плазменной обработки
поверхности древесины: 1 – катодный узел; 2 – плазменная дуга;
3 – источник питания; 4 – обрабатываемые образцы; 5 – графитовый
анод; 6 – водоохлаждаемый токоподвод; 7 – электропривод подачи
электрода.
Рис. 4. Фотография рабочей зоны установки
85
непосредственной близости от стола конвейера. Причем он снабжен
выносным устройством для коррекции его положения. В качестве выносного анода используется графитовый стержень диаметром 70 мм,
установленный под углом 20о относительно горизонтали. Электропривод обеспечивает в процессе работы вращение и поступательное
перемещение графитового стержня. Для генерации плазменного шнура графитовый анод сближается с плазмотроном на расстояние, достаточное для возбуждения основной дуги. На конвейере установлены
полозья, эти элементы обеспечивают постоянство зазора между оппозитно расположенными брусками древесины в процессе обработки
(δ=15-20 мм).
Обработка деревянных поверхностей выполнялась при разных
режимах, но приемлемые результаты получены при использовании
режима, приведенного в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики проводимого эксперимента
Скорость перемеще- Ток плазменного
ния образцов, м/с
генератора, I, А
0,1
170
Напряжение плазменного генератора, U, В
100
После плазменной обработки древесины (рис. 5) поверхность
окрасилась и приобрела темный, золотисто-коричневый цвет. При
этом очень хорошо проявилась текстура породы и стали более заметными годичные кольца.
а
б
Рис. 5. Образцы древесины: а – до плазменной обработки;
б – после плазменной обработки
86
До и после обработки поверхности древесины плазмой измерялось содержание средней влажности испытываемых образцов древесины всех пород. Измерения проводились с помощью прибора для
измерения влажности – электронный влагомер 7В-2К. Результаты
представлены в табл. 2.
Таблица 2. Содержание влаги в древесине
Влажность древесины, %
Пихта
До обработки
33
Сосна
11,8
Осина
7,3
После обработки
7,6
6,0
28
В итоге содержание влаги в древесине, обработанной плазмой,
сократилось.
Следующим этапом исследований явилось проведение экспериментов по определению водопроницаемости исследуемых образцов
до и после плазменной обработки.
Эксперимент проводился следующим образом: были взяты измерительные мензурки с делениями, открытые с обеих сторон. Мензурки устанавливались на поверхности образцов и в месте соприкосновения с поверхностью герметизировались с помощью воска. Мензурки устанавливались на поверхностях исходных образцов и обработанных плазмой, заполнялись равным количеством воды (по 10 мл).
Ее поглощение древесиной фиксировалось через каждые 2 часа. Полученные результаты представлены на рис. 6.
Анализ проведенных экспериментов позволяет сделать выводы
о том, что возможно существенное уменьшение отходов древесины
при обработке ламелей и бруса (плазма «полирует» неостроганые поверхности), что позволяет сократить на 10-15 % затраты тепловой
энергии на сушку из-за «избавления» обрабатываемых поверхностей
от шероховатости и ворсистости не методом строгания. Будут сокращены и затраты электрической энергии, поскольку процесс строгания
ламелей (14 сторон) исключается, а остается только финишное строгание бруса четырехсторонним станком. Более того, в связи с этим,
87
Рис. 6. Зависимость расхода воды от времени выдержки:
1 – осина:
до обработки, ----- после обработки;
2 – пихта:
до обработки, ----- после обработки;
3 – сосна:
до обработки, ----- после обработки
экономиться ресурс режущего инструмента. Технология плазменной
обработки поверхностей древесины, за счет малого времени воздействия на обрабатываемые изделия, является значительно экономичней
по сравнению с традиционными способами термического воздействия.
Плазменная обработка древесины приводит к реструктурированию ее поверхности [3]. Применение среды плазмы, позволяет модифицировать поверхность древесины и получить тончайшую функциональную (гидрофобную) пленку, которая улучшает свойства материала и не пропускает жидкость. Это позволяет сделать вывод о
том, что поверхность после обработки является более устойчивой к
появлению грибков, плесени и других пороков древесины за счет
удаления подходящей для их формирования среды. Не менее важным
88
результатом явились данные о водопроницаемости древесины до и
после плазменной обработки. Как видно из рис. 6 все образцы древесины после термической обработки впитывают воду в несколько раз
медленнее, чем исходные породы. Это говорит о том, что обработанную с помощью электроплазменной технологии древесину можно
использовать в средах с повышенной влажностью.
На технологию получения защитно-декоративного покрытия на
поверхности древесины получено положительное решение Роспатента по патенту на изобретение [4].
Строительство малоэтажных зданий с использованием энергоэффективного клееного бруса с утепляющими вставками и поперечным креплением ламелей (патент авторов на полезную модель №
114982), полученного по предлагаемой энерго- и ресурсосберегающей
технологии, позволит снизить потребления тепловой энергии за отопительный сезон не менее чем в 1,79 раза по сравнению с технологией строительства из обычного клееного бруса.
Литература
1. Соколов О.М., Васильев М.Н., Чухчин Д.Г. Исследование изменения состава древесины при обработке низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмой // Лесн. журн. – 1999. № 2-3. С. 167–175.
(Изв. высш. учеб. заведений).
2. Чухчин, Д.Г. Ресурсосберегающая переработка древесины с
использованием плазмохимической технологии: Дис. на соиск. учен.
степ. канд. техн. наук: 05.21.03 / Д.Г. Чухчин; Арх. гос. тех. ун-т. Архангельск, 1998. -с.128.
3. Онегин В.И., Удалов Ю.П., Корсаков Г.С., Лукин В.Г. Плазмохимическая обработка поверхности древесины для улучшения ее
резонансных свойств // М.:ВИНИТИ, 28.04.97, № 1414-В97, 1997, 10
с.
4. Положительное решение о выдаче патента на изобретение
(письмо Роспатента № 2012104467/13(006752) от 11 февраля 2013 г.)
по заявке № 2012104467/13(006752), МПК В27К 5/00 (2006.01). Способ получения защитно-декоративного покрытия на древесине / О.Г.
Волокитин, Н.А. Черкашина, Г.Г. Волокитин, Н.А. Цветков; заявлено
08.02.2012.
89
ИННОВАЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
В.Н. Веник, начальник отдела НИИ СМ ТГАСУ
Направления деятельности лаборатории «Асфальтобетонов»
НИИ СМ ТГАСУ:
- выполнение научно-исследовательских и конструкторских
работ;
- разработка новых строительных материалов;
- внедрение инновационных технологий в дорожном
строительстве;
- разработка нормативных документов с учетом региональных
климатических особенностей;
- проведение сертификационных испытаний
дорожно-строительных материалов;
- проведение строительной экспертизы дорожных конструкций;
- разработка индивидуальных проектных решений.
Лаборатория рекомендует применять всесезонные ремонтные
смеси Wiamixt, имеющие следующие отличительные особенности:
- вяжущее сохраняется в 2.5 раза дольше на поверхности каменного материала в толстой пленке;
- оптимально подобранный зерновой состав, обеспечивающий
быстрое уплотнение и максимальную жесткость;
- отсутствие ограничение по температурным условиям применения;
Содержания автомобильных дорог и городских улиц определено ГОСТ 50597-93 «Требования к эксплутационному состоянию дорог, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного
движения». Покрытие проезжей части не должно иметь просадок, выбоин, иных повреждений, затрудняющих движение транспортных
средств с разрешенной Правилами дорожного движения скоростью.
Допустимые повреждения на 1000 м2 покрытия, м2, не более 2,5.
Предельные размеры отдельных просадок, выбоин и т.п. не должны
превышать по длине 15 см, ширине - 60 см и глубине - 5 см.
Эксплуатация дорог с асфальтобетонным покрытием в условииях сурового климата Западной Сибири связана с появлением характерных дефектов, представленных на рис. 1.
90
Рис. 1. Наиболее характерные дефекты дорог в Сибири.
В лабораториях отдела НИИ СМ ТГАСУ разработана технология ремонта асфальтобетонных покрытий с применением СВЧ разогрева. Разработана конструкция СВЧ нагревателя и определены области его применения:
- ремонт площадных дефектов покрытий;
- ремонт продольных и поперечных трещин;
- разогрев для удаления отработанной смеси;
- разогрев при исправлении дефектов уложенной смеси;
- технологии с применением «холодных» смесей и последующим разогревом.
Испытания разработанной конструкции показали следующие
преимущества СВЧ нагревателей по сравнению с другими способами
нагрева в условиях реальных дорог:
- избирательный нагрев компонентов;
- проникновение на большую глубину и нагрев всего объема;
- высокая скорость нагрева;
- исключение перегрева и ускоренного старения битума;
- экологическая чистота технологии.
Разработанная технология будет востребована отраслью.
91
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
Г.В. Гранин, генеральный директор ООО «ЭКОКЛИМАТ»,
А.В. Гранин, исполнительный директор ООО «ЭКОКЛИМАТ»
Зачем нужен тепловой насос? Когда следует выбрать тепловой насос? Преимущества.
Тепловой насос - это источник энергии для вашей системы отопления и горячего водоснабжения, а также одновременно может служить источником для системы кондиционирования. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии извлекается из окружающей
среды. Тепловой насос «выкачивает» энергию из грунта, скальной
породы или озера, накопленную за теплое время года (рис. 1).
В каком случае стоит сделать выбор в пользу теплового насоса
как основного источника тепла в доме? Какие положительные стороны? Прежде всего, выбирая тепловой насос, вы выбираете комфорт:
- к вам на участок не приезжает топливозаправщик, оставляющий на газонах и дорожках радужные пятна от топлива;
- Вы избавляетесь от топливного хозяйства, создающего повышенную пожароопасность Вашего дома, топливных емкостей
не будет ни в цокольном этаже, ни в гараже, ни в саду;
- нигде в доме не пахнет дизельным топливом, Вы не думаете о
том, что оно скоро закончится и надо заказывать еще;
- Вы не зависите от качества дизельного топлива, и горелка не
останавливается под новый год;
- у вас нет дымовой трубы, иногда шумящей по ночам и проходящей сквозь весь дом; дымовая труба будет нужна только для
камина;
- если вам не хватает подключенной электрической мощности
на отопление - может быть, 25% от необходимой мощности для
работы теплового насоса все-таки можно выделить?
И, конечно, это экономия энергии и денег. На сегодняшний
день в России стоимость производства тепловой энергии значительно
зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ,
затем электроэнергия и дизельное топливо.
92
Однако, это только сегодняшняя ситуация, цена на энергоносители все время меняется.
Система отопления
в комплексе: тепловой
насос и водяной теплый
пол.
Теплый пол и тепловой насос - это наиболее эффективное сочетание. Энергия не только
«производится» экономно, но и экономно используется! Водяной теплый пол низкотемпературная система отопления
(температура теплоносителя 30-45 градусов). Если же сравнивать её с
традиционной «радиаторной» (температура теплоносителя 75-90 градусов)
Рис.1. Общая схема применения
системой отопления, то
теплового насоса
экономия тепловой энергии может достигать до
40-50%. Отношение затраченной электроэнергии к выработанной тепловой энергии тепловым насосом («КПД теплового насоса») во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло тепловой насос: чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем
больше эффективность теплового насоса.
В силу технических ограничений температура, подаваемая в
систему отопления из теплового насоса, не превышает 55 оС, причем
температура обратной воды не должна превышать 50 оС. При радиаторной системе отопления необходимо специально рассчитывать отопительные приборы, чтобы использовать теплонасосную установку.
При использовании системы отопления водяной теплый пол никаких
специальных расчетов не требуется, эти системы созданы друг для
друга!
93
Даже при правильном расчете радиаторной системы отопления
система отопления «теплый пол» всегда будет давать более эффективное использование энергии, накопленной в окружающей среде!!
Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на
приготовление горячей воды составляют около 15-20 процентов.
Модульная конструкция - мало места, красиво, быстро!
Тепловые насосы производства шведской компании «Thermia» это законченное изделие, готовая теплоснабжающая установка. Внутри установки находится бойлер емкостью 150-180 литров (либо
внешний бойлер до 1000 л), насос внешнего контура, собирающего
тепло окружающей среды, насос системы отопления, автоматика регулирования. Все, что нужно сделать в котельной - это подключить 6
трубопроводов - контур отопления, внешний контур, горячую и холодную воду. Установка занимает мало места, имеет приятный внешний вид, напоминающий холодильник. Что касается уровня шума работу установки можно сравнить с работой бытового холодильника.
Монтажные работы не затратят большого количества времени и сил все уже собрано на заводе! Важно иметь в виду, что при производстве
установки использовались проверенные годами схемные решения, и
можно считать, что ваша котельная собрана в заводских условиях,
подтвержденных сертификатом ISO 9001.
Источник энергии. Необходимые требования.
Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро,
воздух (для специальных моделей), вообще любой источник тепла с
температурой - 1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время.
Это может быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из
системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод,
уложенный в землю или в воду.
Материал трубопровода - ПНД.
Диаметр трубопровода - 40 мм.
Теплоноситель - 30% раствор этиленгликоля (либо этилового
спирта). Необходимая длина трубопровода, уложенного в землю или
94
опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе
Thermia.
Скважина.
При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную
глубину.
Для предварительных расчетов можно использовать следующее
соотношение: на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой
энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 200-170 метров.
Земляной контур.
При использовании в качестве источника тепла участка земли
трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта (выбирается для конкретного региона). Минимальное расстояние между
соседними трубопроводами - 0,8..1,2 м. Специальной подготовки
почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту - желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой - это
приводит лишь к увеличению длины контура (рис. 2-а).
а
б
Рис. 2. Расположение внешнего теплообменника:
а – в грунте; б – в водоеме
95
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся
на 1 метр трубопровода 20..30 Вт.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 333…500
метров. Для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 600-400 кв. метров соответственно. При правильном
расчете контур, уложенный в землю, не оказывает влияния на садовые насаждения, и участок может использоваться для выращивания
культур точно так же, как и при отсутствии внешнего коллектора.
Водоем (озеро, река).
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема (рис. 2-б), озера или реки контур укладывается на дно.
Этот вариант является идеальным с любой точки зрения: короткий
внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Главное условие
- водоем должен быть проточным и достаточным по размерам.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся
на 1 метр трубопровода 30 Вт.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 333
метра. Для того чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр
трубопровода устанавливается около 5 кг груза.
Воздушный контур.
Вместо того, чтобы извлекать энергию из скважин, земли или
водоема теплонасосная установка Thermia Atria собирает энергию из
окружающего воздуха (рис. 3). Если возможности размещения земляного коллектора нет, данная модель теплонасосной установки является наилучшим выбором. Точно так же как и обычные теплонасосные
установки Atria дает тепло и горячую воду в дом и сокращает потребление энергии до 75%.
Однако, в силу технических причин, теплонасосные установки
с воздушным контуром имеют серьезное ограничение в применении:
минимальная температура наружного воздуха -20оС. Причем, начиная
с температуры наружного воздуха -10 градусов, установка ступенями
подключает электрические ТЭНы, т.к. коэффициент преобразования
(КПД теплового насоса) снижается. И, таким образом, при темпера-
96
туре -20 градусов и ниже, по сути, работает только электрический
нагрев.
Рис. 3. Использование энергии воздуха
Пиковый электродогрев. Зачем?
Практически во всех моделях тепловых насосов дополнительно
установлен электронагреватель. Зачем? Дело в том, что при выборе
отопительной установки номинальная мощность рассчитывается исходя из максимальной потребности тепла, т.е. для покрытия тепловой
нагрузки в самый холодный зимний день. Для Санкт-Петербурга, например, минимальная расчетная температура минус 26оС. Однако,
исходя из многолетних наблюдений, длительность такой температуры
всего лишь несколько дней в году, а это значит, что при расчете на
максимальную мощность значительная часть потенциала теплового
насоса будет использоваться очень редко. Для выбора соотношения
мощностей теплового насоса электронагревателя существует специальный интегральный график, кстати, обладающий свойством универсальности для всех регионов России.
Из графика видно, что если источник тепла будет состоять из 2х источников, один - дорогостоящий, но вырабатывающий «дешевую» энергию (тепловой насос) с номинальной мощностью 60 % от
расчетной нагрузки, и другой, дешевый, но вырабатывающий «дорогую» энергию (электронагреватель), то за год первый источник выработает приблизительно 92% энергии, а второй около 8% энергии. Такая комбинация позволяет снизить стоимость капитальных затрат и
97
увеличить срок окупаемости теплонасосной установки. Причем определяющим фактором является не стоимость самой установки, а стоимость обустройства внешнего контура - скважины, либо земляного
контура.
Рис. 4. Соотношение энергий: от электрокотла – верхняя часть;
от окружающей среды – средняя часть: энергия, потребляемая
тепловым насосом – нижняя часть
Принцип действия теплового насоса (ТН).
Принцип действия ТН поясняется схемой, изображенной на
рис. 5.
Компрессор
Рис. 5. Схема работы теплового насоса
98
1. Охлажденный теплоноситель, проходя по внешнему трубопроводу нагревается на несколько градусов
2. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладоагентом. Хладоагент,
имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель,
превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит
при низком давлении и температуре -5°С.
3. Из испарителя газообразный хладоагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и нагревается.
4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим
газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладоагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.
5. При прохождении хладоагента через редукционный клапан
давление понижается, хладоагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
Кондиционирование. Пассивное и активное. Принцип.
Принцип холодоснабжения очень прост. В зимнее время тепловой насос «трансформирует» тепло из окружающей среды для использования в системе отопления. Летом, наоборот, «холод» из скважины (7-9 градусов) используется, чтобы создать необходимый климат в помещениях дома. Фанкойлы подключается к внешнему коллектору, а принцип работы системы холодоснабжения такой же, как и
системы отопления, за исключением того, что вместо радиаторов используются фанкойлы.
Пассивное охлаждение.
При пассивном охлаждении компрессор теплового насоса не
работает, и теплоноситель просто циркулирует между скважиной и
фанкойлами (рис. 6).
Таким образом, холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования.
99
Модуль кондиционирования
Рис. 6. Схема пассивного охлаждения
Активное охлаждение.
Если пассивного охлаждения не достаточно, в системе кондиционирования используется холод, производимый тепловым насосом
(рис. 7). При этом автоматически включается компрессор теплового
насоса, и теплоноситель из скважины дополнительно охлаждается
тепловым насосом.
Рис. 7. Схема активного охлаждения
100
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
АРТЕЗИАНСКИХ СКВАЖИН
А.И. Кармалов, глав. инженер «Северск водоканал», Е.Ю. Курочкин,
к.т.н, доцент ТГАСУ, Д.А. Кармалова, студентка ТГАСУ
Стабильная и долговременная эксплуатация водозаборной артезианской скважины – одна из актуальнейших проблем любого подземного водозабора начиная от одиночной скважины, снабжающей
водой частный коттедж и заканчивая водозаборами целых городов.
После ряда лет (а чаще нескольких десятилетий) эксплуатации, встает порос о восстановлении дебита скважины. В работе рассматривается опыт восстановления пропускной способности скважин, полученный на водозаборе г. Северск.
Методы восстановления дебита скважин на воду выбирают на
основе анализа исходных данных (конструкция фильтра и скважины,
интенсивность проявления кольматационных процессов, степень изменения физических и химических свойств кольматирующих отложений, фильтрационные характеристики водоносных пород). После
выбора метода, обеспечивающего в рассматриваемых условиях восстановление дебита скважины, близкого к первоначальному, подбирают технологию, включающую контроль хода восстановительных
работ и оценку их эффективности. Контроль хода обработки может
быть универсальным для всех методов, когда в качестве переменных
параметров применяется коэффициент фильтрации обрабатываемой
зоны (сопротивление фильтра и прифильтровой области в заданном
радиусе), количество удаленного шлама в растворенном или диспергированном виде. Эти параметры целесообразнее получать в процессе
обработки.
На протяжении 60 лет эксплуатации подземного водозабора г.
Северска после ряда экспериментов был однозначно принят единственный, по-настоящему эффективный метод, дающий долгосрочный
результат с доведением дебита до первоначального - это химический
с его различными вариантами.
Применение химического метода ограниченно по нескольким
причинам:
101
- требуется наработка персоналом достаточного опыта на различных типах скважин, а это возможно только на давно работающих
подземных водозаборах (более 30 лет). Поскольку кольматация скважины ощутимо начинает влиять на дебит после 15-20 лет эксплуатации и более;
- наличие спецоборудования, которым не всегда обладают эксплуатирующие организации;
- организации, занимающиеся бурением скважин, хотя и имеют
опытный персонал, и часть необходимого оборудования, не заинтересованы в освоении и распространении методов регенерации и устранения пескования скважин. Причины понятны. Нормативный срок
службы скважин 20-25 лет, после чего они могут быть списаны, а
значит, есть основания бурить новые.
В то же время выгода эксплуатирующих организаций и организаций заказчиков в случае применения данного метода регенерации
очевидна:
- отпадает необходимость получать или дополнять лицензию на
эксплуатацию недр;
- нет затрат на: строительство павильона; прокладку контрольных и электросиловых кабелей; прокладку наружных сетей водопровода, обустройства санитарной зоны.
- увеличивается ресурс водоподъемного оборудования из-за
устранения абразивного воздействия водоносного песка.
Кроме того, регенерация и устранение пескования позволяет в
более короткий срок решить проблему дефицита воды в населенных
пунктах, чем новое бурение.
При описании преимуществ регенерации стоит обратить внимание на очень большую проблему, возникающую при интенсивной
обработке старых скважин, имеющих водоносную породу в виде песков различной крупности или конструкцию с сальниками (применялась широко в 50-60-е гг.). Кислота или другие реагенты разъедают
сильно изношенные от времени стенки фильтровых труб и сальниковую набивку. И часто после обработки скважину (рис. 1) приходилось
тампонировать, так и не возродив по причине интенсивного пескования или завала забоя песком.
102
В связи с этим ОАО «Северский водоканал» применяет для регенерации ингибированную соляную кислоту, определенных марок.
Ингибитор необходим, чтобы защитить от коррозии и разъедания материал фильтровых труб. Объем кислоты зависит от концентрации,
объема рабочей части фильтра и отстойника, толщины гравийной обсыпки, предполагаемого состояния кольматанта, который может быть
пастообразным, рыхло-пористым, слабо или прочно сцементированным и иметь различный химико-минералогический состав. Все это
определяется в процессе диагностирования. Кроме соляной кислоты
могут применяться и другие реагенты, в частности порошкообразные,
которые менее опасны в обращении, но не менее эффективны.
Рис. 1. Устройство скважины подземного водозабора
Если скважина закольматирована плотно и структура кольматанта имеет прочно сцементированный характер (рис.2), эффективно
и целесообразно производить нагрев реагента в стволе фильтра с помощью скважинного нагревателя. Такой способ, который именуется
термореагентным, более трудоемок, но позволяет возродить практи-
103
чески «мертвые» скважины. Он применялся на скважинах, которые
были выведены из эксплуатации по 10-15 лет, и обычная регенерация
соляной кислотой не давала значительного эффекта. Таким методом
ОАО «Северский водоканал» было восстановлено более 25 % артезианских скважин Северского месторождения. Все восстановленные
скважины работают с дебитом близким к первоначальному.
Рис. 2. Характер отложений в скважинах
Кроме того, химические методы регенерации успешно применяются на артезианских скважинах, используемых для сельскохозяйственного и технического водоснабжения. Таким образом, в 2010 г.
были восстановлены две артезианские скважины животноводческого
комплекса. Срок эксплуатации скважин превышает 25 лет. Дебит указанных скважин на момент обращения - 0 м3/час, обе скважины выведены из эксплуатации 6 лет назад. В рамках регенерационных работ
выполнен декольматаж скважины, произведена реагентная обработка.
Выполнена эрлифтная прокачка артезианских скважин, с учетом глубины скважин более 100 м.
Первая артезианская скважина запущена в работу с дебитом 30
м3/час, вторая скважина - с дебитом 60 м3/час. Обе скважины успешно
эксплуатируются.
Схема обвязки скважины представлена на рис.3
104
Рис. 3. Схема обвязки скважины
Таким образом, тампонирование артезианских скважин после
вывода из строя в результате развития процессов кольматажа, суффозии или окончания нормативного срока эксплуатации оправдано
только при полном разрушении, либо загрязнении подземных вод и
невозможности использования по причинам несоответствия добываемой воды требованиям и санитарным нормам. В большинстве случаев
посредством проведения реагентной регенерации можно восстановить и продлить срок эксплуатации скважин в 1,5-2 раза.
Применение химического метода регенерации как наиболее
продуктивного ограничено по нескольким причинам:
- требуется наработка персоналом достаточного опыта на различных
типах скважин, а это возможно только на давно работающих подземных водозаборах (более 10 лет);
- наличие спецоборудования, которым не всегда обладают эксплуатирующие организации;
- организации, занимающиеся бурением скважин, хотя и имеют
опытный персонал, и часть необходимого оборудования не заинтересованы в освоении и распространении методов регенерации.
105
СИСТЕМА ДИСПЕТЧЕРСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ТГАСУ
Н.А. Цветков, д.т.н., профессор ТГАСУ, Ю.О. Кривошеин,
аспирант, ТГАСУ, А.В. Одинцов, студент ТГАСУ,
О.Ю. Кривошеин, директор НПО «ВЭСТ»
Проблемам энергосбережения и повышения энергоэффективности в настоящее время уделяется большое внимание в связи с принятием и выполнением закона 261-ФЗ «Об энергосбережении …». В
соответствии с этим законом должны быть выполнены энергетические исследования объектов энергопотребления, разработаны энергетические паспорта предприятий и организаций независимо от форм
собственности. Все объекты должны быть оснащены средствами учета потребления энергетических ресурсов. В каждом предприятии (организации), в каждом муниципальным образовании должны быть разработаны программы энергосбережения с конкретными энергосберегающими мероприятиями и соответствующими натуральными и финансовыми потенциалами энергосбережения.
Таким образом, создаются условия разработки систем диспетчерского контроля и управления, предназначенных для детального
учета и регулирования потребления энергетических ресурсов по каждому объекту и по группе объектов с использованием геоинформационных технологий.
Конкретная конфигурация систем диспетчеризации (полнота
набора функций по видам потребляемых энергетических ресурсов)
зависит от полноты комплектации конкретных объектов необходимыми техническими средствами. На первом этапе, как правило, реализуется набор функций, связанный с потреблением тепловой энергии, на втором этапе система дополняется функциями, связанными с
электрической энергией и т.д. Однако система с любой конфигурацией должна иметь в составе три уровня:
• метрологический уровень измерений параметров, обеспеченный сертифицированными средствами (нижний);
• уровень непрерывного сбора и передачи контролируемых параметров (средний);
106
• уровень обработки и унифицированного представления (таблицы, графики) параметров, контролируемых во времени (верхний).
Система диспетчерского контроля и управления инженерными системами должна обеспечивать:
- мониторинг работы инженерных систем с созданием отчетов в
виде таблиц и, графиков;
- дистанционное управление инженерными системами.
Научно- производственным объединением «ВЭСТ» (г. Томск),
совместно с инженерной службой и кафедрой «Теплогазоснабжение»
разработало и реализовало первый этап системы диспетчерского контроля и управления потреблением тепловых ресурсов на 20 объектах
ФГБОУ
ВПО
«Томский
государственный
архитектурностроительный университет».
Реализованная система диспетчерского контроля и управления
потреблением тепловых ресурсов позволяет контролировать и управлять параметрами систем отопления и горячего водоснабжения.
Подавляющее количество включенных в систему объектов
ТГАСУ оборудованы индивидуальными тепловыми пунктами (ИТП),
разработанными и изготовленными в НПО «ВЭСТ».
В состав ИТП входят: исполнительный механизм, состоящий из
привода и клапана изменения расхода подаваемого теплоносителя на
подающем или обратном трубопроводе, датчики температуры, насосное оборудование. Типовая схема включения регулирующего комплекса представлена на рис 1.
Рис. 1 Типовая схема включения регулирующего комплекса
107
Данные устройства подключаются к щитам автоматизации, изготовленных на базе контроллеров «ВЭСТ-01.М-05.2». Алгоритм работы щита управления обеспечивает:
ƒ
поддержание заданной температуры теплоносителя в
подающем трубопроводе системы после узла смешения;
ƒ
поддержание температуры обратной воды в соответствии с температурным графиком теплоснабжения;
ƒ
автоматическое поддержание заданной температуры
горячей воды в системе ГВС;
ƒ
управление исполнительными механизмами;
ƒ
контроль температуры (внешнего воздуха, теплоносителя в подающем трубопроводе системы после узла смешения,
теплоносителя в обратном трубопроводе системы, горячей и обратной воды в системе ГВС).
Для получения данных с приборов учёта и контроля используются средства связи GPRS-терминал «ВЭСТ-GPRS», предназначенные для организации доступа к удалённым объектам по беспроводным каналам связи в цифровой сотовой сети GSM на основе GPRSпередачи данных. Терминал позволяет подключать до 100 GPRSточек на один выделенный статический IP-адрес.
Отличительной особенностью данного терминала является новаторское использование технологии “клиент-сервер”. Система, построенная на базе GPRS-терминала, имеет следующий алгоритм обмена данными: автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера
выполняет функции клиента, посылающего запрос серверу по IPадресации. Через сервер устанавливается соединение GPRS с запрашиваемым клиентом GPRS-терминалом, установленным на удалённом объекте. Таким образом, организуется прямой “прозрачный” канал связи передачи данных по TCP/IP GPRS-терминал - АРМ.
Программное обеспечение системы диспетчеризации включает
в себя два основных компонента: веб-сервер и браузер.
Веб-сервер является программным ядром системы, связующим
звеном между АРМ диспетчеров, аппаратными средствами автоматизированных технологических объектов управления и базой данных
значений параметров технологических процессов. Веб-сервером обрабатывается, хранится и выдается информация о состоянии техниче-
108
ских средств на объекте, значениях технологических параметров, наличии аварийных и нештатных ситуаций.
Интернет-обозреватель – браузер – необходим для отображения на компьютере пользователя предоставляемой веб-сервером информации.
Система позволяет осуществлять не только мониторинг и
управление объектами, но создавать математические модели объектов, связанные с моделированием тепловых режимов ограждающих
конструкций и взаимосвязей потребления различных видов энергоресурсов.
Вход в программу осуществляется пользователем в браузере,
установленном на его компьютере. Вводится в адресной строке адрес
веб-сервера, и осуществляется переход в меню авторизации, где необходимо ввести логин и пароль (Рис 2).
Такая технология не требует установки
программного обеспечения для использования программы и позволяет работать в системе из любой точки мира с доступом во внешний интернет.
Рис.2. Меню авторизации
Объекты, входящие в систему (на примере ТГАСУ), расположены на общей мнемосхеме (рис. 3), представляющей часть карты
города. На ней видно расположение зданий по адресам, в виде квадратиков меняющих свой цвет в зависимости от наличия (красный)
или отсутствия (зелёный) нештатных ситуаций.
109
Рис.3. Мнемосхема объектов контроля ТГАСУ
Выход за пределы текущих значений параметров технологического процесса можно увидеть при просмотре мнемосхемы объекта
(рис. 4). На ней схематично показано расположение инженерного
оборудования, текущие и заданные значения параметров.
Рис. 4. Мнемосхема конкретного объекта
В случаях выхода какого-либо параметра за пределы заданных
значений, на мнемосхеме объекта возникает надпись красным цветом.
Пример мнемосхемы с сигналом нештатной ситуации в общежитии
№ 7 ТГАСУ по ул. Партизанская 15/2 приведен на рис. 4. Изменяя
110
параметры настройки регулятора, можно удаленно устранять некоторые нештатные ситуации.
Сигнал о возникновении нештатных ситуаций формируется с
приборов контроля. Виды сигналов по температуре:
- наружного воздуха: сигнал «Неисправность датчика» (при
температуре меньше минус 60 °С или больше плюс 130 °С);
- температура теплоносителей в подающем и обратном трубопроводах систем отопления и ГВС: сигнал «Неисправность датчика»
(при температуре меньше 0 °С или больше 130 °С);
- несоблюдение установленных значений температуры воды в
подающем или обратном трубопроводах в зависимости от температуры наружного воздуха: сигнал «Нарушение температурного графика
теплоснабжения».
Виды сигналов по давлению:
- давление в подающем и обратном трубопроводах систем отопления, ГВС и ХВС:
сигнал «Неисправность датчика» (при давлении меньше 0
кгс/см2 или больше 10 кгс/см2).
Виды сигналов по расходу теплоносителей:
- расход в подающем и обратном трубопроводах систем отопления, ГВС, ХВС: сигнал «Расход больше максимально допустимого» (при расходе больше расчетного для конкретного объекта); сигнал
«Расход меньше минимально допустимого» (при расходе 0 м3/ч);
- утечки теплоносителя: сигнал «Розлив теплоносителя» при
разнице расходов в подающем и обратном трубопроводах более 4%.
Вид сигнала по нештатной эффективности теплоиспользования:
- нарушение теплосъема: сигнал «Нарушение теплосъема»
(формируется при разнице температур в подающем и обратном трубопроводах менее 10 °С).
Ниже приведены результаты контроля параметров теплопотребления по общежитию № 7. На рис. 5 и 6 показаны расходы в подающем и обратном трубопроводах.
Превышение расхода теплоносителей на входе в систему отопления здания над расходом теплоносителя на выходе из системы
отопления здания свидетельствует об утечках или о разборе горячей
воды. Существующими нормами установлено, что эта разница не
должна превышать 4 %.
111
Рис. 5. Расходы теплоносителей в подающем (верхняя линия)
и обратном трубопроводах в ноябре-декабре 2012 года
Рис. 6. Расходы теплоносителей в подающем (верхняя линия)
и обратном трубопроводах в январе-феврале 2013 года
112
На рис. 7 приведен температурный график рассматриваемого
объекта в ноябре-декабре 2012 года и в январе-феврале 2013 года.
Рис. 7. График изменения температуры в точках контроля
113
На рис. 8 и 9 показано текущее теплопотребление общежитием
№ 7 в рассматриваемый период.
Теплопотребление (Ноябрь-Декабрь)
Q, ГКалл
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
18.10.12
07.11.12
27.11.12
17.12.12
06.01.13
Рис. 8. График теплопотребления в ноябре и в декабре 2012 года
Теплопотребление (Январь-Февраль)
Q, ГКалл
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
17.12.12
06.01.13
26.01.13
15.02.13
07.03.13
Рис. 9. График теплопотребления в январе и в феврале 2013 года
Сопоставление температурных графиков и графиков текущего
теплопотребления показывает, что система регулирования достаточно
точно учитывает изменение температуры наружного воздуха.
Разработанная система позволяет формировать графики теплопотребления с нарастающим итогом (рис. 10).
114
Теплопотребление (январь)
Теплопотребление (февраль)
250,00
200,00
150,00
150,00
Q, ККалл
Q, ККалл
200,00
100,00
100,00
50,00
50,00
-
-
01.01.2013
11.01.2013
21.01.2013
31.01.
01.02.2013
10.02.2013
19.02.2013
28.02.
Рис. 10. Месячные графики потребления тепловой энергии
(нарастающий итог) учебным корпусом № 1 ТГАСУ
Представленная информация показывает, что система диспетчеризации позволяет в реальном времени управлять параметрами потребления энергетических ресурсов каждого объекта и является инструментом оценки эффективности реализованных мероприятий энергосбережения.
Разработанная система диспетчеризации реализована в Томске,
кроме ТГАСУ, в закрытом легкоатлетического манеже «Гармония», в
здании Арбитражного Апелляционного суда, а также в городском округе Жатай (г. Якутск).
Дальнейшее развитие системы диспетчеризации связано с разработкой функций контроля параметров водопотребления и параметров электропотребления, а также с разработкой и реализацией программ формирования отчетов по этим направлениям потребления ресурсов.
В последние годы происходит стремительное развитие инженерных систем зданий. Удорожание энергоресурсов будет способствовать все более возрастающему спросу на квартиры в многоквартирных жилых домах, даже в домах экономкласса, имеющих поквартирный учет расходов тепловой и электрической энергии, расходов горячей и холодной воды. Устройство автономных энергосберегающих
климатехнических систем (вентиляции и кондиционирования воздуха) в каждой квартире, делает необходимым разработку средств автоматизации и диспетчеризации с учетом взаимодействия всех систем.
115
ПЕНОПОЛИСТИРОЛ – МАТЕРИАЛ,
ЗАХВАТЫВАЮЩИЙ СВОИМ СОВЕРШЕНСТВОМ
Юрьев Ю.Г., канд.хим. наук, директор ООО "Томпласт – ЛТД"
Для выполнения современных требований по теплосбережению
зданий необходимо использование теплоизоляционных материалов.
Одним из наиболее эффективных утеплителей, обладающих, к тому
же, и хорошими звукоизоляционными свойствами, бесспорно, является пенополистирол или, как его часто называют, пенопласт.
По внешнему виду пенополистирол (ППС) – это плиты белого
цвета, теплые на ощупь и очень легкие. Легкость плит вызывает порой некоторое недоумение у тех, кто впервые встречается с ними.
Действительно, как такой "воздушный" и пористый материал способен эффективно удерживать тепло? Оказывается, все дело в структуре
этих самых пор, или ячеек.
Легкость ППС обусловлена тем, что материал на 98% состоит
из воздуха – как известно, лучшего природного теплоизолятора. Что
же касается низкой теплопроводности пенопласта, то она обусловлена
закрытой структурой ячеек, отсутствием свободного пространства
между ними по всему объему материала. Внутри этих ячеек, размеры
которых колеблются от 100 до 200 микрон, и находится воздух.
Важным является и то, что капиллярность ячеек ППС близка к
нулевой, что подтверждается низким водопоглощением материала, не
превышающем 2% даже при длительном нахождении его в воде. Это
ценное качество предотвращает промерзание и разрушение пенопласта даже при многократном замораживании и оттаивании, а также
обусловливает постоянство размеров утеплителя при длительной эксплуатации. Благодаря этому свойству стены зданий, утепленные снаружи ППС и оштукатуренные специальными защитными составами
толщиной всего 3-5мм. (как правило, по полимерной сетке), не образуют трещин на поверхности штукатурки в течение многих лет.
Кроме перечисленных, ППС обладает и рядом других достоинств. Вот только некоторые из них.
Высокая стойкость к нагрузкам. Не смотря на кажущуюся
"мягкость", ППС выдерживает от 5 до 20 тонн распределенной нагрузки на 1 кв. м. в зависимости от марки. При этом линейные разме-
116
ры его изменяются не более чем на 10%. Это качество материала широко используют при ремонте и строительстве железных и автомобильных дорог, особенно в условиях глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты. Укладывая плиты ППС под балластный слой
дороги на пучинистых участках, получают колоссальный экономический эффект.
Долговечность. Срок службы ППС свыше 50 лет. При этом в
течение всего периода эксплуатации зданий, даже во влажных условиях, теплоизолирующая способность пенопласта практически не
ухудшается.
Биологическая стойкость. Материал не гниет, не плесневеет,
не подвергается действию грибков, им не питаются грызуны и насекомые (тем не менее ППС необходимо защищать от грызунов, поскольку они, делая норы, любят в нем жить).
Самозатухаемость. Благодаря наличию огнестойких добавок,
ППС не способствует распространению огня, не загорается от искры
или сигареты, после выноса из пламени перестает гореть. Температура эксплуатации колеблется от -2000С до +850С. Однако, в течение
непродолжительных промежутков времени ППС выдерживает температуру до 110 ºС, позволяя, например, кратковременный контакт с
горячим битумом при устройстве мягких кровель.
Не токсичен, безвреден для здоровья. Даже при высоких (до
+850С ) температурах ППС не выделяет никаких вредных веществ,
допущен к контакту с пищевыми продуктами. Крошку пенопласта
используют для разрыхления почвы при выращивании овощей, картофеля и других культур, в производстве мягкой мебели и др.
Удобен в использовании, безопасен при обработке. Благодаря малому весу, пенопласт удобен и легок в обращении, легко режется ножом или ножовкой, не пылит, не вызывает аллергии и раздражения кожи, не требует использования индивидуальных средств защиты.
Устойчив к действию кислот и щелочей, не окисляется, хорошо совместим с цементом, известью, гипсом.
Экономичен по сравнению с другими утеплителями, что является важнейшим фактором в сегодняшних экономических условиях. Несколько уступая пеноплэксу (экструдированному пенополистиролу) по таким показателям, как теплопроводность, механическая
117
прочность и водопоглощение, ППС в 2,5–3 раза дешевле пеноплэкса,
в 2-4 раза экономичнее минплиты, стекловолокнистых материалов
типа "URSA", "ISOVER" и керамзитового гравия, толщина слоя которого для достижения требуемого эффекта по теплосбережению
должна быть в 1,5 - 4 раза больше толщины пенопласта.
Нельзя не отметить и некоторые ограничения к применению
пенополистирола. Самое основное, пожалуй, это его неустойчивость
к постоянному воздействию высоких (свыше 850С) температур и таких органических растворителей, как бензол, ацетон, этилацетат.
Кстати, растворяя гранулы ППС в этилацетате, можно получить вязкую массу для использования в качестве клеющего состава при соединении листов утеплителя между собой.
Уместно привести толщины различных материалов, одинаково
сохраняющих тепло, в сравнении с пенополистиролом.
Пенополистирол
10 см.
Стекловолокно (URSA, ISOVER)
12 -15 см.
Минплита
22 см.
Дерево
38 см.
Дерево +пенополистирол
18+5 см.
Газо-пенобетон
60 см.
Кирпич глиняный
102 см.
Кирпич глиняный +пенополистирол
38+7 см.
Кирпич силикатный
152 см.
Кирпич силикатный +пенополистирол
52+8 см.
Эти данные убедительно доказывают эффективность использования ППС, позволяя в 2-3 раза экономить расход строительных
материалов, уменьшить нагрузки на фундаменты зданий при одновременном снижении затрат на отопление до 30-40 процентов.
Рамки настоящей публикации не позволяют подробно описать
весь спектр возможностей применения ППС в строительстве. Перечислим лишь основные направления.
1. Защита фундаментов для предотвращения промерзания и
их теплоизоляция.
Именно фундамент – основа здания. От него зависит долговечность строения и, в значительной мере, тепловой комфорт. Поэтому
вопрос утепления фундаментов, особенно в нашем, Сибирском регионе с его суровым климатом, должен ставиться на одно из первых
118
мест. Наиболее эффективным способом утепления монолитного ленточного фундамента является использование плит ППС в качестве
несъемной опалубки, внутрь которой помещается арматура и заливается бетон. Это позволяет не только утеплить фундамент, но и снизить затраты на устройство опалубки, уменьшить расход бетона, арматуры и трудозатраты.
Хорошо зарекомендовали себя плиты ППС при устройстве бесподвальных помещений. В этом случае на оконтуренную фундаментом и подготовленную площадку укладываются плиты утеплителя (в
один или несколько слоев, в зависимости от их толщины), поверх них
устанавливается арматура и заливается бетонная (растворная) стяжка, которая одновременно может служить основанием для пола.
Особо следует отметить возможность применения ППС в целях
защиты фундаментов от промерзания. Для этой цели вдоль фундамента отрывается траншея шириной порядка одного метра и глубиной, определяемой промерзанием грунта. Плиты утеплителя укладываются в траншею вдоль фундамента и засыпаются. В некоторых случаях необходимо дополнительное устройство гидроизоляции.
2. Теплоизоляция полов и потолков.
При малоэтажном строительстве пенополистирольная изоляция
может быть использована для утепления как бетонных, так и деревянных перекрытий. В первом случае утеплитель укладывается непосредственно на бетонное основание, сверху наносится наливное основание пола. Во втором случае плиты ППС укладываются на "черный"
пол.
3. Теплоизоляция стен.
Теплоизоляция стен имеет не меньшее значение, чем утепление
фундаментов и полов. При этом плиты ППС можно применять как
для наружного, так и для внутреннего утепления стен, хотя наружное
утепление является более эффективным и предпочтительным. Плиты
утеплителя к внешней стороне стены либо приклеиваются специальной мастикой, либо, чаще всего, крепятся с помощью пластиковых
дюбелей с "зонтиками". Так как ППС в любом случае относится к
группе горючих материалов, его обязательно нужно защищать от
прямого воздействия открытого пламени, да и механических повреждений. Для этого используют различные негорючие материалы: облицовочный кирпич, сайдинг, штукатурные составы, обладающие хо-
119
рошей гидрофобностью, высокой цвето – и щелочестойкостью и долговечностью. При этом толщина слоя штукатурки, наносимой, как
правило, по прикрепленной к плитам ППС полимерной сетке, не повышает 3-5 мм.
Прекрасный теплоизолирующий эффект достигается при использовании плит ППС для изоляции внутренних помещений. При
этом пенопласт проявляет и хорошие шумозащитные свойства. Однако и в этом случае его необходимо защищать от открытого пламени и
механических повреждений. Для этих целей идеально подходят, к
примеру, листы ГВЛ.
Кроме вышеперечисленных направлений использования, плиты
ППС с успехом применяются в качестве утеплителя технических этажей зданий, крыш, чердаков, лоджий, бытовок, контейнеров, вагонов,
для теплоизоляции трубопроводов, холодильников и в других сферах.
Об эффективности этого утеплителя красноречиво говорит, к
примеру, тот факт, что новые панельные многоэтажки от ТДСК,
внутри наружных стен которых находится именно пенополистирол,
являются сегодня наиболее комфортными для проживания, а нарекания жильцов на промерзание стен зимой и невыносимую духоту летом давно ушли в прошлое.
В Томске промышленный выпуск плит ППС был освоен предприятием ООО "Томпласт – ЛТД" в 2004 году. Сегодня они широко
применяется строительными организациями, индивидуальными застройщиками, дачниками и другими организациями и людьми.
120