Материал: Исследование коэффициента теплопроводности стеновых материалов

Исследование коэффициента теплопроводности стеновых материалов

ВВЕДЕНИЕ

Тепловая защита и теплоизоляция строительных конструкций зданий и сооружений имеют огромное значение в современном строительстве. Правильное ее применение в значительной мере определяет возможность поддержания требуемых технологических процессов, энергоэффективности и эксплуатации оборудования, комфортных условий жизни и труда человека, повышение эффективности энергетических систем в целом.

Большую роль в этих вопросах играет разработка новых методов определения теплофизических свойств и теплофизических характеристик строительных материалов, которые позволят эффективно оценить тепловой и воздушно-влажностный режимы зданий и сооружений различного назначения.

Конец XX и начало ХХI века характеризуются постоянным ростом цен на нефть, природный газ и электроэнергию, что связано с исчерпанием запасов традиционных источников энергии и что послужило естественным толчком для рационального использования энергоресурсов, для поиска решений, ведущих к их экономии.

Научно-техническая и промышленная революции прошлого столетия привели к созданию огромного количества предприятий и различных форм производства, для работы которых необходимы миллионы тонн условного топлива. При этом следует учитывать постоянный рост объектов производства, а, следовательно, и потребляемой энергии. С одной стороны, строительство объектов какой-либо индустрии на территории государства ведёт к обеспечению населения рабочими местами и к росту экономики в целом. С другой стороны, появляется новый источник энергопотребления.

В последние годы в России уделяется всё больше внимания вопросу экономии энергоресурсов. Несмотря на отдельные успехи в некоторых отраслях промышленности, в целом мы существенно отстаём в этом от достижений стран Запада и Америки. Расход электрической энергии на 1 доллар валового продукта составляет на мировом рынке 0,46 кВтч, в США - 0,52 кВтч, в России же - 4,7 кВтч. Доля энергии в структуре и себестоимости валового продукта составляет около 50%, тогда как в промышленно развитых странах она меньше 5%. Нерациональное использование энергоресурсов наносит ежегодно ущерб в размере 40 млрд.у.е.

Серьёзных продвижений и результатов по данному вопросу в области строительства можно добиться активной пропагандой, агитацией и внедрением в массы идеи экономии ресурсов и разумного использования природных ископаемых, а также путём проведения широкого фронта исследований по повышению энергоэффективности зданий и их ограждающих конструкций. Затраты на подобные мероприятия малы по сравнению с прогнозируемой экономией.

Строительство выделяется среди основных энергоёмких отраслей экономики страны. Из общего энергопотребления данной отраслью 90% расходуется при эксплуатации зданий. Наибольшим энергопотреблением характеризуются жилые здания - 50-55%, несколько меньшим - 35-45% - промышленные здания, а на долю гражданских зданий приходится около 10%.

В целом, для теплоснабжения гражданских зданий требуется до 30% добываемого в нашей стране твёрдого и газообразного топлива. Потенциал энергосбережения в России составляет 40-45% современного энергопотребления в стране, что находится в пределах 360-430 млн т.у.т. Свыше трети этого потенциала сосредоточена в жилищно-коммунальном хозяйстве, а в строительстве и промышленности - свыше одной трети.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то нужно выбирать материалы с наименьшим значением данного коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и зависит от его структуры, плотности, влажности, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности определяется опытным путем

Цель работы: Исследование теплотехнических характеристик строительных материалов.

Задачи исследования:

Определение сопротивления теплопередаче теплоэффективного трехслойного блока.

Определение коэффициента теплопроводности кирпича керамического (полнотелого и пустотелого) и кирпича керамического одинарного.

Предмет исследования: процессы тепломассопереноса, обеспечивающие повышение тепловой эффективности наружных ограждающих конструкций и требуемые условия микроклимата помещений.

Методы исследования включали: натурные исследования тепловой защиты зданий

. ОБЗОР НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Строительные материалы, используемые для ограждающих конструкций, должны быть не только прочными и долговечными, но и обладать надлежащими теплотехническими свойствами, например низкой теплопроводностью и высоким сопротивлением теплопередач. Для разных материалов данные характеристики определяются по-разному.

ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций:[2]

Сопротивление теплопередаче R0 для термически однородной зоны ограждающей конструкции вычисляют по формуле

,

где Rb и Rн - сопротивления теплопередаче соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, м2·°С/Вт;термическое сопротивление однородной зоны ограждающей конструкции, м2·°С/Вт;

tв и tн - средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутреннего и наружного воздуха, °С;

в и н - средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции,°С;ф - средняя за расчетный период измерения фактическая плотность теплового потока, Вт/м2

Термическое сопротивление отдельных слоев ограждающей конструкции определяют по формуле:

где  - разность температур на границах слоя, °С;

С целью сопоставления фактических значений теплопроводности материалов, использованных в конструкции, с проектными значениями, теплопроводность материала слоя определяют по формуле:

где  - толщина слоя, м.

ГОСТ 530.2012. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия.[1]

Коэффициент теплопроводности кладок определяют по ГОСТ 26254 [2] со следующими дополнениями:

Для каждого тепломера и термопары определяется среднеарифметическое значение показании за период наблюдений qt и где i- номер датчика. По результатам испытаний вычисляется средневзвешенные значения температуры наружной и внутренней поверхностей кладки ,оС с учетом площади ложкового и тычкового измеряемых участков, а также вертикального и горизонтального участков растворных швов по формуле:

где tj - температура поверхности в точке i на наружной и внутренней поверхности кладки соответственно, °С;- площадь участка, м2.

По результатам испытаний определяли термическое сопротивление кладки RKnp, м2, °С/Вт, с учетом фактической влажности во время испытаний по формуле:

= t/qcp,

где t=tBcp - tHcp - разница средневзвешенных значений температур наружной и внутренней поверхности кладки соответственно, °С; qcp - среднее значение плотности теплового потока через испытываемый фрагмент кладки, Вт/м .

По значению RKnp вычисляется эквивалентный коэффициент теплопроводности кладки экв(), Вт/(м °С), по формуле:

 экв() = / ,

где  - толщина кладки, м.

Определяется изменение значения теплопроводности кладки на один процент влажности, Вт/(м °С), используя результаты обоих этапов испытаний по формуле:

 экв() =  экв1 - экв2)/(),

где  экв1,  экв2 - значения теплопроводности изделий в кладке при влажности образца соответственно , %.

Коэффициент теплопроводности кладки в сухом состоянии 0, Вт/(м°С), вычисляли по формулам:

0II =  экв2 -    экв

или 0I =  экв2 -    экв

За результат испытания принимается среднеарифметическое значение коэффициента теплопроводности кладки в сухом состоянии 0, Вт/(м °С), вычисленное по формуле:

0=( 0I + 0 II)/2.

Каждый из этих параметров напрямую влияет на теплотехнические свойства строительных материалов и определяется экспериментально-расчетным методом.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРЕХСЛОЙНОГО БЛОКА

.1 Описание теплоэффективного блока

Применение теплоэффективных блоков в строительстве домов и коттеджей приносит застройщику ощутимый экономический эффект. Незначительный вес теплоэффективных блоков снижает транспортные расходы и избавляет стройку от необходимости иметь подъемные устройства. Применение клея, а не цементных растворов, исключает доставку большого количества воды, цемента и песка на стройку, дает постоянно высокое качество кладки, сводит к минимуму тяжелый, не продуктивный ручной труд. Четкие геометрические размеры блока и продуманная его номенклатура позволяет использовать персонал более низкой квалификации. Скорость кладки не соизмерима ни с каким другим материалом, тем более, что при возведении стен строитель избавлен от дальнейшей ее наружной обработки. Стена просто красится при помощи краскопульта или любым другим традиционным способом. Прочность стены, уложенной на клей, становится максимальной в течение всего нескольких часов. Это позволяет не ограничивать производительность бригады каменщиков при кладке стены технологическими перерывами.

В идеальном случае бригада из четырех человек может выложить один этаж дома за одни сутки. Скорость возведения домов из теплоэффективных блоков в несколько раз превосходит скорость строительства домов из любых других материалов. Строитель получает возможность при более низких затратах, за то же время, и теми же бригадами, построить в несколько раз больше современных прекрасных каменных домом, спрос на которые очень высок. Теплоэффективный блок с успехом может применяться и при возведении многоэтажных каркасных домов в качестве ограждающего самонесущего материала.

Рядовой Блок (по размерам больше обычного кирпича в 12-13 раз) состоит из трех слоев, скрепленных двумя стеклопластиковыми стержнями, выдерживают нагрузку на разрыв до 1000 кг, некоррозийные, щелочестойкие, легче металлических аналогов (для достижения такой же прочности необходима арматура диаметром 12 мм).

Толщина наружного, защитно-декоративного слоя фактурного бетона всего 5 см.

Затем идет слой пенополистирола-утеплителя.

Завершает сэндвич-конструкцию несущий слой керамзитобетона.

Таким образом, толщина стены, сложенной из теплоблоков, всего равна около 40-сантиметров.

Фасадный слой блока это керамзитобетон повышенной прочности. Защитно-декаротивный слой может иметь различную фактуру. Фасадная часть блока может быть окрашена, что придаст дому эксклюзивность и индивидуальность.

Внутренний слой это пенополистерол ПСБС-25 плотностью от 15 до 25 кг/м³. Высокая плотность пенополистерола это отличные теплосберегающие характеристики и большой срок службы. Для увеличение качества пенополистерола используется. Пенополистерол высокой плотности так же обладает отличными свойствами шумоизоляции.

Для производства блока используются:

. Керамзит

. Цемент

. Песок - речной, мытый

. Пенообразователь

. Пластификатор

. Стеклопластиковая арматура

Технологическим недостатком всех существующих способов возведения домов является то, что «Точка росы» у стен находится в толще бетона, и здесь не обойтись без утеплителя, чтобы стены не промерзали. В данной технологии эта проблема с успехом решена

Геометрия теплоблока:

В длину он равен 350 мм, в ширину 340 мм, а в высоту 170 мм и общим весом примерно 23 кг. Геометрия теплоблока предоставлена на рисунке 2.2:

Риунок 2.2 - Геометрия Теплоблока

.2 Определение теплотехнических характеристик трехслойного блока экспериментальным методом

.2.1 Разработка лабораторной работы по теплоблоку

В данной лабораторной работе будет экспериментальным методом определен коэффициент теплопроводности и сопротивление теплопередач теплоблока. Работа будет проводится с помощью приборной базы. По результатам проведения эксперимента будут выявлены теплотехнические характеристики Теплоблока.

.2.2 План испытаний

Лабораторная работа представляет собой следующую последовательность действий: