Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и выбор основных направлений исследований 11
1.1. Совершенствование и актуализация законодательной и нормативной базы повышения энергоэффективности зданий. Применение утеплителей из экструзионного пенополистирола в наружных ограждающих конструкциях зданий 11
1.2. Методы оценки и критерии долговечности пенополистирольных утеплителей 18
1.3. Определение факторов, оказывающих влияние на теплопроводность пенополистиролов 26
1.3.1. Теоретические основы теплопередачи в газонаполненных полимерах на примере пенополистиролов 26
1.3.2. Влияние морфологических параметров на теплопроводность пенополистиролов 30
1.4. ВЫВОДЫ 37
Глава 2. Методы исследований и характеристика используемых в работе материалов 38
2.1. Оборудование и методы исследований 38
2.1.1. Определение теплопроводности пенополистиролов 38
2.1.2 Методы исследования поровой структуры пенополистиролов 47
2.1.3. Рентгенофазовый и дифференциально-термический методы исследований твердой фазы пенополистиролов 49
2.2. Методики теплотехнических расчетов в специализированных программах, реализующих метод конечных элементов 50
2.2.1. Методика расчета теплопередачи двумерных моделей 50
2.3.1. Методика расчета теплопередачи трехмерных моделей 52
2.3. Характеристика используемых в работе материалов 54
2.4. ВЫВОДЫ 56
Глава 3. Разработка модели поровой структуры газонаполненных полистиролов для оценки теплопроводности 57
3.1. Определение исходных данных для разработки структурной модели 57
3.2. Разработка и построение алгоритма модели 59
3.3. Проверка адекватности теоретических расчетов по разработанной модели с результатами эксперимента 65
3.3.1. Построение структурной модели экструзионного пенополистирола и выполнение теплотехнического расчета 65
3.3.2. Экспериментальное определение теплопроводности экструзионного пенополистирола с учетом анизотропии поровой структуры ; 74
3.3.3. Сопоставление теоретических расчетов теплопроводности с результатами эксперимента 75
3.4. Выводы 76
Глава 4. Изучение эксплуатационных свойств экструзионного пенополистирола 78
4.1. Оценка и прогнозирование теплопроводности экструзионного пенополистирола 78
4.1.1. Применение структурной модели для оценки теплопроводности .. 78
4.1.2. Математическая модель прогнозирования теплопроводности 80
4.2. Дефектоскопия поровой структуры экструзионного пенополистирола
физико-химическими методами анализа и электронной микроскопией 84
4.2.1. Применение рентгенофазового анализа 85
4.2.2. Применение совмещенного термического анализа 86
4.2.3. Изучение поровой структуры деструктивного пенополистирола с помощью электронной микроскопии 88
4.3. Экспериментальное определение физико-механических свойств экструзионного и вспененного пенополистиролов 89
4.3.1. Качественное сравнение поровых структур исследуемых пенополистиролов 89
4.3.2. Исследование пористости пенополистиролов методом водопоглощения при вакуумировании 91
4.3.3. Определение прочности при 10 %-ной линейной деформации 95
4.4. ВЫВОДЫ 97
Глава 5. Нормативно-техническое обоснование критерия долговечности наружных ограждений. разработка утеплителя с повышенными эксплуатационными свойствами 99
5.1. Определение критерия оценки долговечности и разработка алгоритма расчета допустимой степени снижения начального сопротивления теплопередаче 99
5.2. Расчет допустимого уровня снижения теплозащиты наружной ограждающей конструкции на примере жилого здания, принятого к строительству в климатических условиях г. Красноярска 101
5.3. Разработка утеплителя с повышенными эксплуатационными свойствами 104
5.3.1. Разработка конструкции теплоизоляционного элемента 104
5.3.2. Теоретическая оценка теплотехнической эффективности 105
5.3.3. Экспериментальное исследование опытного образца теплоизоляционного элемента 107
5.4. Выводы 112
Основные выводы 114
Библиографический список
- Методы оценки и критерии долговечности пенополистирольных утеплителей
- Методы исследования поровой структуры пенополистиролов
- Проверка адекватности теоретических расчетов по разработанной модели с результатами эксперимента
- Применение структурной модели для оценки теплопроводности
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность работы заключается в необходимости более глубокого изучения эксплуатационных свойств широко используемых в настоящее время пенополистирольных теплоизоляционных материалов с целью обеспечения высокой энергоэффективности строительных объектов.
Решение проблемы повышения энергоэффективности неразрывно связано с вопросом экологии и является одним из приоритетных направлений развития современной России. Мировой опыт показывает громадный потенциал для роста в этой области. К сожалению, на сегодня приходится констатировать, что энергоемкость нашей экономики существенно уступает развитым странам Европейского союза, Японии, США, Канады и др.
Для решения задачи повышения энергоэффективности жилищно-коммунального сектора экономики, потребляющего более 30 % топливно-энергетических ресурсов нашей страны, приняты: Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», с изменениями на 18 июля 2011 г., Постановление правительства РФ от 25 января 2011 г. № 18 «Об утверждении правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов», вышел Приказ Минрегионразвития РФ от 28 мая 2010 № 262 «О требованиях энергетической эффективности зданий, строений, сооружений».
Для обеспечения высокого класса энергетической эффективности зданий широкое применение нашли высокоэффективные пенополисти-рольные утеплители, среди которых лучшими техническими характеристиками обладают экструзионные пенополистиролы. Однако по результатам исследований данных материалов имеется ряд противоречивых мнений об их долговечности и эффективности применения.
Диссертационные исследования выполнены в соответствии с концепциями федеральных целевых программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и «Национальная технологическая база».
Степень разработанности проблемы. Исследованиям долговечности газонаполненных полимеров посвящены работы А. А. Берлина, Ф. А. Шутова, А. Г. Дементьева, О. Г. Тараканова, В. А. Павлова, И. Г. Романенкова, К. В. Панферова, В. В. Гурьева, В. Г. Гагарина, В. П. Ярцева, К. А. Андрианова, Ю. Д. Ясина, В. А. Могутова, В. Г. Хозина, А. Н. Дмитриева, А. И. Ананьева, О. И. Лобова,
Д. В. Ритца, М. А. Шутца, Л. Р. Гликсмана, М. Т. Бумберга, Ч. В. Во, М. К. Кумарана, Д. Р. Бута и др.
Благодаря исследованиям и разработкам НИИСФ РААСН, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, НП «АВОК», НИИЖБ, ЦНИИЭП жилища, Общероссийской общественной организации РОИС, вузов МГСУ, СГАСУ, КГАСУ и др. в нашей стране заложены основы по обеспечению высокой энергоэффективности зданий и сооружений.
Следует отметить феноменологическую методику определения долговечности ограждающих конструкций, разработанную в НИИСФ д.т.н., профессором С. В. Александровским.
Несмотря на значительные достижения в данной области, научным сообществом признается отсутствие единой методики определения долговечности пенополистирольных теплоизоляционных материалов, что в первую очередь объясняется необходимостью поиска обоснованного критерия, адаптированного к климатическим условиям нашей страны. Широкое внедрение пенополистирольных утеплителей в строительную практику требует более глубокого изучения свойств материалов, первостепенное значение среди которых принадлежит теплопроводности.
Объект исследования. Экструзионные пенополистирольные теплоизоляционные материалы и изделия.
Предмет исследования. Процессы, обуславливающие изменение теплопроводности экструзионных пенополистирольных утеплителей при эксплуатации, и эффективность применения объекта исследования в наружных ограждающих конструкциях зданий.
Цель работы. Разработка методологии прогнозирования теплопроводности экструзионного пенополистирола в процессе эксплуатации и оценка его долговечности.
Основными задачами исследований для достижения поставленной цели являются:
изучение влияния изменения теплопроводности экструзионных пенополистирольных материалов в зависимости от основных параметров их поровой структуры и газовой фазы;
разработка адекватной модели поровой структуры пенополисти-ролов, позволяющей с помощью численных методов решения определять и прогнозировать коэффициент теплопроводности;
исследование деструкции экструзионных пенополистиролов и определение методов её диагностирования;
разработка математической модели прогнозирования теплопроводности пенополистирола в процессе долговременной эксплуатации в ограждающих конструкциях зданий;
разработка критерия и методики расчета допустимого уровня снижения теплозащиты ограждающих конструкций зданий, применимой для расчетов долговечности основного теплоизоляционного слоя;
разработка конструктивного решения нового теплоизоляционно
го элемента для использования в качестве эффективной теплоизоляции
зданий.
Научная новизна:
-
На основе реальной геометрии поровой структуры экструзион-ного пенополистирола разработана новая структурная модель, позволяющая численными методами расчета определять эффективный коэффициент теплопроводности. Количественно определена анизотропия теплопроводности экструзионного пенополистирола. Для пенополистирола THERMIT XPS марки 35 установлено увеличение коэффициента теплопроводности на 0,002...0,006 Вт/м-С в направлении от внешней грани плиты к ее середине.
-
Определены значения коэффициентов теплопроводности экструзионного пенополистирола при полном заполнении порового пространства фреонами HCFC-22, HCFC-\42b, углекислым газом и воздухом при нормальных условиях. Для пенополистирола THERMIT XPS марки 35, данные значения составят: 0,007; 0,017; 0,022; 0,032 Вт/м-С соответственно.
-
Установлена закономерность изменения теплопроводности экструзионного пенополистирола в процессе эксплуатации, на основании которой предложена математическая модель. Определено, что коэффициент теплопроводности пенополистирольных плит THERMIT XPS марки 35 толщиной 50 мм, произведенных с использованием фреонов в качестве вспенивающих агентов, в период времени 25...45 лет будет повышаться до значения 0,032 Вт/м-С по логарифмическому закону при условии отсутствия развития деструктивных процессов.
-
Разработан критерий оценки снижения теплозащитных свойств теплоизоляционных материалов при их эксплуатации в ограждающих конструкциях зданий, определяемый с позиции энергоэффективности по удельному расходу тепловой энергии на отопление здания.
Практическая значимость работы:
разработана и предложена для использования адекватная методика определения коэффициента теплопроводности пенополистиролов на основе новой структурной модели, позволяющая выполнять прогнозные расчеты на стадии разработки материала и в процессе его эксплуатации;
разработана и внедрена в практику проектирования оригинальная методика определения значения допустимого уровня снижения требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий в ходе выполнения энергетической части проектирования для определения долговечности теплоизоляционных материалов;
установлена реальная возможность использования физико-химических и микроскопических методов анализа для диагностирования деструкции пенополистирольных материалов;
разработан и предложен для использования новый эффективный
теплоизоляционный элемент, выполненный из пенополистирола.
Методология работы. Для решения поставленных задач использовался системный подход, реализованный в постановке экспериментальных исследований, проведении практических испытаний, применении физико-химических и микроскопических методов анализа на современном оборудовании, использовании методов структурного и математического моделирования и численных методов решения.
Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований внедрены к использованию в лаборатории строительной физики Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета при разработке энергетических паспортов зданий и при выполнении обследований наружных ограждающих конструкций.
Представленные разработки были внедрены на предприятиях г. Красноярска: ЗАО «Фирма Культбытстрой» при выпуске наружных стеновых панелей с эффективным утеплителем; ООО «Технологъ» при производстве плит из экструзионного пенополистирола THERMITXPS.
Положения, выносимые на защиту:
алгоритм построения разработанной структурной модели пено-полистирольного материала и ее теплотехнический расчет в коммерчески доступной компьютерной программе на примере исследования анизотропии теплопроводности экструзионного пенополистирола местного производства;
результаты исследований повышения теплопроводности пенопо-листирольных материалов в результате естественной диффузии газов с помощью представленной структурной модели на примере экструзионного пенополистирола местного производства;
результаты дефектоскопии поровой структуры пенополисти-рольных теплоизоляционных материалов с помощью физико-химических и электронно-микроскопических методов анализа;
математическая модель повышения теплопроводности экструзионного пенополистирола в процессе эксплуатации на основе результатов зарубежных долговременных исследований;
алгоритм расчета допустимого уровня снижения теплозащиты наружного ограждения по разработанному критерию на примере построенного в г. Красноярске жилого здания и определение долговечности основного теплоизоляционного слоя из экструзионного пенополистирола;
конструкция эффективного теплоизоляционного элемента и результаты испытаний пробного образца.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXIII-XXVI региональных научно-технических конференциях «Проблемы строительства и архитектуры» (Красноярск,
2005-2008 гг.); Всероссийском научном фестивале «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2009 г.); научной конференции - I академические чтения «Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение и экологическая безопасность», посвященной памяти академика Г. Л. Осипова (Москва, 2009 г.); 14-й Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2011 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры строительных материалов и технологии строительства ИСИ ФГАОУ ВПО СФУ (Красноярск, 2011 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ. Результаты исследований защищены патентом РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, основные выводы, библиографический список источников из 168 наименований и 3 приложений. Общий объем работы изложен на 156 страницах машинописного текста. Основной текст диссертации -132 страницы, включая 55 рисунков и 35 таблиц.
Методы оценки и критерии долговечности пенополистирольных утеплителей
Полимерная матрица пенопластов может быть выполнена из большого числа разнообразных природных и синтетических полимеров, но наибольшее распространение получили пенопласты на основе полистирола, поливинил-хлорида, полиэтилена, полиуретанов, эпоксидных, карбамидных и кремний-органических смол. В данных материалах газообразной фазой является воздух или различные газы вспенивающих агентов (фреоны, углекислый газ и др.). Известно, что большое значение на свойства пенопласта оказывает не только материал полимерной матрицы и вид газа, заполняющего ячейки, но и соотношение объемов газовой и полимерной фаз, которое может составлять от 10 до 30 [36].
Прессовый метод получения пенопластов на основе термопластичных полимеров был впервые предложен в 1928 г. в Европе. В нашей стране первопроходцами в данной отрасли были такие ученые, как А. А. Берлин, А. А. Моисеев, Ф. X. Абель, которые в 1946 г. разработали и запатентовали общие способы получения пенопластов [12].
Газонаполненные пластмассы за свою более чем 80-летнюю историю получили широкое применение в различных отраслях промышленности (аэрокосмической, строительной, судостроении, машиностроении) из-за своих превосходных тепло- и звукоизоляционных свойств и низкой плотности.
В строительной отрасли, как уже было отмечено выше, наибольшее применение нашли пенопласты на основе полистиролов (пенополистиролы).
Среди пенополистиролов наиболее совершенным с технической точки зрения (по данным табл. 1.1 и [88, 89, 164]) является ЭППС. В связи с этим в настоящее время во всем мире данный материал получает всё большое распространение, постепенно вытесняя своих конкурентов (рис. 1.4) [113].
Реально оценить эффективность использования пенополистиролов в строительстве можно только после определения безремонтного срока их эксплуатации, в течение которого будет обеспечиваться их работоспособность (долговечность).
За последнее время в нашей стране было опубликовано большое количество статей, касающихся темы пожарной и экологической опасности применения пенополистирольных утеплителей для теплоизоляции зданий [6, 7, 8, 112]. Стоит отметить общемировую тенденцию увеличения объемов потребления пенополистиролов (рис. 1.4), а также наличие различных конструктивных решений, обеспечивающих минимизацию представленных возможных опасностей. Данные вопросы требуют отдельных исследований и в диссертационной работе не рассматривались.
Долговечность - свойство объекта сохранять при установленной системе технического обслуживания и ремонтов работоспособность до наступления предельного состояния (отказа), после которого дальнейшая его эксплуатация невозможна или экономически нецелесообразна. Под предельным состоянием (отказом) понимается состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация в текущем положении должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения работоспособности объекта [3].
Очевидно, что первостепенной целью использования высокоэффективных утеплителей в многослойных ограждающих конструкциях является обеспечение необходимого уровня теплозащиты. Снижение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции R0 в процессе эксплуатации в большей степени обусловлено увеличением коэффициента теплопроводности утеплителя Хо, как это видно из рис. 1.2, и следующей формулы [107]: 7?о = 1 / ow + S 5, / Л,, + 1 / а„„ (1.1) где а;т, аеї, - коэффициенты теплоотдачи наружного и внутреннего воздуха, Вт/м"-С; 5,- - толщина /-го слоя конструкции, м; А,,- - коэффициент теплопроводности /-го слоя конструкции, Вт/м-С.
Требования по прочности к теплоизоляционным материалам могут предъявляться только для восприятия нагрузок от температурных деформаций и нагрузок при транспортировке и монтаже изделий [67]. В работах [5, 97, 130] глубоко исследованы вопросы долговечности пенополистиролов с позиции изменения прочностных характеристик в процессе эксплуатации в зависимости от температуры и напряжений. Долговечность пенополисти-рольиых утеплителей в данном случае определялась с применением термо-флуктуационной концепции прочности [52, 97, 98]: где т - время до разрушения (долговечность), с; т т - периоды колебания кинетических единиц, с; U0 - энергия активации, кДж/моль; U— эффективная энергия активации, кДж/моль; у - структурно-механический фактор, кДж/моль-МПа; (3 - аналог структурно-механической константы, 1/МПа; Тп, -предельная температура существования материала, К; а - напряжение, МПа; Г- температура, К; R - универсальная газовая постоянная.
Долговечность утеплителя по снижению его прочностных характеристик в процессе эксплуатации определяющим образом зависит от конструктивного решения ограждающей конструкции. В настоящее время наибольшее распространение получили ограждения зданий, в которых утеплители испытывают минимальные нагрузки в процессе всего срока эксплуатации (например, в среднем слое трехслойных стеновых панелей или кирпичной кладки). Прочностные характеристики пенополистиролов, особенно ЭППС, обеспечивают многократный запас прочности при их эксплуатации в данном виде конструкций (табл. 1.2).
Методы исследования поровой структуры пенополистиролов
В верхней части установки находится прижимной винт, снабженный отсчстным устройством для измерения толщины образца и динамометрическим устройством с трещоткой для создания постоянного усилия прижатия испытываемого образца.
Микропроцессорное устройство электронного блока обеспечивает измерение сигналов датчиков, управление стационарной установкой, индикацию и сохранение результатов измерений [53]. Вычисление Xef/ и Rt (при стационарном тепловом режиме) производится вычислительным устройством по формулам: Хе// = Н q / (ті - т2), (2.3) Д, = (т,-т2)/Ч-2-/гь (2.4) где ть т2 - температура горячей и холодной грани измеряемого образца соответственно, С; R/c - термическое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора (учитывается при калибровке), м2-С/Вт.
Длина и ширина образцов пенополистирола определялась с помощью линейки металлической [32] с пределом допустимой погрешности ± 0,5 мм. За результат измерений принималось среднее арифметическое значение из 42 мерений длины (ширины) образца в трех местах: на расстоянии 50 ± 5 мм от каждого края и посередине изделия.
Толщина исследуемых образцов измерялась штангенциркулем [26] с пределом допустимой погрешности ±0,1 мм. За результат измерений принималось среднее арифметическое значение измерений толщины образца в четырех местах посередине каждой стороны.
Для испытаний отбирались образцы без значимых дефектов по внешнему виду (отбитость углов, притупленность ребер, впадины, выпуклости и пр.) и правильной геометрической формы (отклонение лицевых граней от параллельности не более 0,5 мм).
В соответствии с рекомендациями [53] разница температур нагревателя Т и холодильника т2 для образцов ЭППС толщиной 40 мм, имеющих теплопроводность менее 0,04 Вт/м-С, была принята 40 С (TJ =55 С, т2=15 С). на электронном блоке устанавливается толщина измеряемого образца и значения температур ть т2, после чего прибор запускается в работу. Далее программное устройство автоматически устанавливает стационарный тепловой поток, проходящий через измеряемый образец, при заданных температурах горячей и холодной грани образца (с точностью 0,2 С) и производит вычисление искомых величин; результаты измерений снимаются с дисплея электронного блока прибора (рис. 2.4), которые автоматически архивируются и маркируются датой и временем измерений по их окончанию.
Для определения Xe/f на образцах толщиной менее 5 мм использовался факультативный метод определения теплопроводности на приборе LFA 457 MicroFlash (метод лазерной вспышки Паркера [159]).
Внешний вид измерительной части (а) и основные компоненты (б) установки LFA 457 MicroFlash : 1 - измерительная часть; 2 - ТА-контроллер; 3 - компьютер; 4 - принтер; 5 - циркуляционный термостат; 6 - блок питания лазера; 7 - блок питания установки. Сущность определения теплопроводности методом лазерной вспышки заключается в следующем. Нижняя сторона плоскопараллельного образца нагревается коротким лазерным импульсом. Полученное тепло распространяется по образцу и вызывает повышение температуры его противоположной верхней поверхности (рис. 2.7).
Для измерения теплопроводности пенополистирола методом лазерной вспышки изготавливались образцы в форме цилиндров диаметром 10 мм и высотой 2 мм с плоскопараллельными внешними гранями. Перед испытанием образцы просушивались в печи до постоянной массы при температуре 50 С, после чего проводились измерения диаметра, толщины и массы.
Геометрические измерения образцов проводились с помощью электронного штангенциркуля марки Mahr 16 EX (технические характеристики: диапазон измерений 150 мм, цена деления 0,01 мм, предел ошибки 0,03 мм) [57].
Для определения массы образцов использовались электронные микровесы Mettler Toledo ХР26 (технические характеристики: пределы взвешивания 0,0021...22 г; дискретность 1 мкг) [43].
Перед испытанием для улучшения поглощения лазерной вспышки поверхностью материала лицевые грани образца покрывались тонким слоем графита, что необходимо для увеличения степени черноты поверхности, поскольку максимально приближает ее к параметру абсолютно черного тела.
Из-за наличия открытой пористости на поверхности образцов на их лицевые грани с двух сторон аккуратно приклеивался лист фольги, который после покрывался тонким слоем графита методом лазерной вспышки: а - вырезанный образец из пенополистирола; б — образец с приклеенной алюминиевой фольгой на обеих гранях; в - образец с нанесенным слоем графита.
Перед испытанием образец устанавливался в специальный прободер-жатель для трех образцов (рис. 2.10) и накрывался крышкой с круглым от верстием посередине. Затем держатель помещался в кассету и закрывался поднимающейся печью.
Виды контраста:для вторичных электронов топографическийдля отражённых электронов композиционный, топографический, теневой Катод вольфрамовый (W) или из гексаборида лантана (LaB6), Конденсорная линза с переменным фокусным расстоянием Объективная линза суперконического типа Исследование электронно-микроскопических снимков высокого разрешения с увеличением до 1000 раз позволяет с помощью прямых измерений определять основные геометрические данные поровой структуры пенополи-стиролов: размер и форму ячеек, толщину полимерных стенок, замкнутость пор и пр.
Изучение поровой структуры на площади среза более 10 мм проводилось с помощью прямого оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Scope A1. Для получения микроснимков необходимого размера и разрешения производилось их составление из более мелких в коммерчески доступных программах графического редактирования.
Подготовка образцов к микроскопической съемке заключалась в аккуратном выполнении среза в месте, подлежащем исследованию и их маркировке.
Обработка полученных геометрических данных поровой структуры производилась в программе с функциями автоматического проектирования Autodesk AutoCAD, в результате которой определялись: габаритные размеры ячейки по двум взаимно перпендикулярным направлениям в месте среза; площадь ячейки в месте среза.
Рентгенофазовый и дифференциально-термический методы исследований твердой фазы пенополистиролов В процессе эксплуатации полимер пенополистиролов в большей степени может быть подвержен термической, механической и фотохимической видам деструкции. Деструкция - процесс, протекающий с разрывом химических связей в главной цепи макромолекулы [110].
Для определения физических и химических изменений полимерных материалов в результате их деструкции в работе использовались методы совмещенного термического анализа (СТА) ТГ-ДСК/ДТА и рентгенофазового анализа (РФА).
Проверка адекватности теоретических расчетов по разработанной модели с результатами эксперимента
Для проведения адекватных измерений и возможности статистической обработки результатов для каждого испытания изготавливалось необходимое количество образцов.
Для сравнения физико-механических свойств экструзионного и вспененного пеиополистиролов, в качестве последнего использовался ПСБ (ПСБ-С) ГОСТ 15588-86 [24] различных марок, выпускаемый на заводе ЗАО «Фирма Культбытстрой» в г. Красноярске.
1. Принятые в работе нормативный и факультативный методы определения теплопроводности пеиополистиролов при стационарном и нестационарном тепловом потоке соответственно обеспечивают погрешность измерений, не превышающую 5 %.
2. Исследование пеиополистиролов методами микроскопии и последующая обработка данных в программах с функциями автоматического проектирования позволяет определять значения геометрических характеристик поровой структуры.
3. Для теплотехнических расчетов дву- и трехмерных моделей сложной геометрии использование специализированных сертифицированных программ THERM и TEMPER-3D обеспечивает высокую точность результатов.
4. Физико-химические методы исследования могут быть использованы для определения признаков деструкции полимера в пенополистиролах при их эксплуатации. Глава 3.
Определение исходных данных для разработки структурной модели
В диссертационной работе д.т.н. Киселева И. Я. [60] представлена математическая модель определения \eff и ее составляющих для ячеистых эффективных теплоизоляционных материалов: эмпирические безразмерные константы; Xs2s, 25 - коэффициенты теплопроводности твердой и газообразной фазы при 25 C;ftg,fts - коэффициенты пересчета теплопроводности газа ВА и полимера по температуре соответственно; t - температура, С; ог= 5,67-10"8 Вт/м2-К4 - постоянная Стефана-Больцмана; D0 - средний диаметр ячейки, м.
Для определения Do использована обобщенная зависимость с толщиной h полимерной стенки ячейки: Для определения значения Хе// автором были обобщены данные, представленные в [41, 166, 142, 148, 149].
Численные значения констант были определены методом регрессивного анализа [62] по результатам экспериментальных измерений зависимости теплопроводности и плотности для пенополистирола и составили Кв= 0,565, А с = 40 соответственно [60]. Различные математические модели определения величин вклада твердой и газообразных фаз с теплопроводностями Xs и в общую теплопроводность системы, основанные на предварительных экспериментальных данных значений Х для различных газонаполненных полимеров, представлены в
В качестве примера в табл. 3.1 приведены результаты расчетов составляющих теплопроводности Xeff для закрытоячеистого пенополиуретана по методике [147].
Наименование показателя Вклад в общую теплопроводность пенополиуретана для различных вида газа ВА углекислый газ циклопентан Вклад теплопроводности твердой фазы ls , Вт/м- Вклад кондукционной теплопроводности газа -k"d\ Вт/мВклад конвективной теплопроводности газовой фазы Х?сою\ Вт/м- Вклад теплопроводности излучением в газовой фазе Х/ас1 , Вт/м- теплопроводность Xeff, Вт/м-С " 0,0285(100%) 0,0259 (100 %) Целью разработки структурной модели пенополистирола является теоретическое определение значения вклада величин Xs и XgB общую теплопроводность системы Хф исходя из геометрических данных поровой структуры материала [46].
Разработка модели производилась на основе поровой структуры ЭППС. Предложенное моделирование основано на принципе замены реальной пористой системы газонаполненного полимера на упрощенную схему с упорядоченной структурой, которая может быть реализована на плоскости или в объеме.
Для теплотехнического расчета двумерной структурной модели использована программа THERM, позволяющая определять Хе// по алгоритму, представленному в пар. 2.2. Для решения данной задачи, а также для расчета трехмерной модели может быть использован программный комплекс ANSYS.
Необходимость построения упрощенной схемы поровой структуры обуславливается многообразием форм пор и ячеек в пределах даже небольшого объема реальной системы и тем, что геометрические размеры газового пространства ячейки, как правило, больше толщины ее стенок на несколько порядков.
Изучение поровой структуры пенополистиролов показывает, что наиболее предпочтительной является схема, в основу которой положена структура додекаэдра в объеме или правильного шестиугольника на плоскости [13].
Ввиду того, что эксплуатационная влажность незначительно влияет на изменение теплопроводности ЭППС [60, 134, 162, 168], фаза влаги при моделировании не учитывалась.
При разработке модели за основу приняты рассмотренные в гл. 1.3. законы теплопередачи в газонаполненных полимерах.
На первом этапе необходимо получить основные данные по геометрии поровой структуры.
Наиболее точным способом получения геометрических данных поровой структуры является прямой метод измерений структурных элементов системы на микроснимках и последующая их статистическая обработка. Получение снимков с помощью современного микроскопического оборудования и последующая их обработка в программах с функциями автоматического проектирования позволяет успешно решить эту трудоемкую задачу.
На площади среза S0 необходимо определить следующие геометрические данные каждой ячейки: максимальные линейные размеры ячейки по двум взаимно перпендикулярным направлениям D\\ „ D±,; площадь ячейки S,.
В случаях когда прослеживается явная направленность поровой структуры, значения D\\ „ Dx необходимо определять с ее учетом (параллельно и перпендикулярно наибольшим граням ячейки).
При построении ГСЭ за форму усредненной ячейки необходимо принимать форму додекаэдра в объеме или шестиугольника на плоскости, а их геометрические размеры определять исходя из средних значений полученных прямых измерений. Принятая форма ячейки предпочтительна ввиду того, что она ближе всего отражает реальную пористую систему различных пенопла-стов [13], а также из-за высокой изотропности ячейки по теплопроводности в форме правильного шестиугольника.
На рис. 3.1 представлены результаты теплотехнических расчетов (в виде изотерм и распределений плотностей тепловых потоков) модели ячейки в форме правильного шестиугольника со стороной 0,2 мм и толщиной стенки поры 1 мкм по двум взаимноперпендикулярным направлениям при прочих равных условиях в программе THERM (принятый масштаб построения 1000 : 1). Исходные расчетные данные и результаты расчетов представлены в табл. 3.2 и 3.3 соответственно.
Применение структурной модели для оценки теплопроводности
Если суммарные затраты на эксплуатацию здания можно легко контролировать, например, по расходу условного топлива за отопительный период или по суммарным тепловым потерям здания за определенный период, то значение Р зависит от многих труднопрогнозируемых факторов.
Одним из способов обоснования значения KR может быть метод, основанный на комплексных теплоэнергетических показателях зданий [45, 79]. В этом случае за максимально допустимое снижение величины R0 принимается значение, при котором удельный расход тепловой энергии на отопление зда-ния за отопительный период дл соответствует граничному значению между классами энергетической эффективности «нормальный» и «низкий» [105].
Предлагается следующий алгоритм определения KR:
1. Выполнить комплексный теплотехнический расчет ограждающих конструкций здания по проектным данным.
2. Выполнить теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций, содержащих эффективный утеплитель, с прогрессией повышения Х0 с шагом, обеспечивающим адекватную в рамках расчета интерполяцию.
3. Определить по [105] значение qhdes (кДж/м2-С-сут или кДж/м3-С-сут) при различных коэффициентах теплопроводности теплоизоляционного материала наружных ограждающих конструкций. сопротивление теплопередаче наружной ограждающей конструкции, определенное при значении коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала равном А .
Расчет допустимого уровня снижения теплозащиты наружной ограждающей конструкции на примере жилого здания, принятого к строительству в климатических условиях г. Красноярска
В качестве примера расчета значения KR по разработанной методике было рассмотрено крупнопанельное 16-этажное жилое здание, построенное в г. Красноярске. Рассчитан удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период q/fes при различных значениях коэффициента теплопроводности основного теплоизоляционного слоя ограждающей конструкции. В расчетах использовались значения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционного слоя толщиной 180 мм, выполненного из ПСБ-С -50 ГОСТ 15588-86 (ро=40 кг/м3) трехслойной стеновой панели с прогрессией повышения теплопроводности на 5 %. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций выполнялся для климатических условий г. Красноярска с учетом примыкания конструкций (внутренние стены, перекрытия) на основе расчета температурных полей на сертифицированном программном комплексе THEMPER-3D [81]. Исходные данные и результаты расчетов представлены в прил .
Классы энергетической эффективности для жилых зданий с этажностью 12 по [105] представлены в табл. 5.1.
По результатам расчетов был построен график зависимости qjfes от значения повышения XQ основного теплоизоляционного слоя ограждающей конструкции для данного здания (рис. 5.1).
На рис. 5.1 видно, что при повышении проектного значения А,0 основного теплоизоляционного слоя ограждающей конструкции на 21 % ( тах=05050 Вт/м-С) удельный расход тепловой энергии на отопление здания составляет 26 кДж/(м3-С,сут), что является граничным значением между классами энергетической эффективности «нормальный» и «низкий», определенными по [105] (рис. 5.2). При дальнейшем повышении Х0 здание уже будет соответствовать классу энергетической эффективности «низкий» и «очень низкий», что свидетельствует о повышенных эксплуатационных затратах и необходимости реконструкции.
Согласно выполненным теплотехническим расчетам при тах=0,050 Вт/м-С по формуле (5.2) определяем, что KR ДЛЯ данного здания составляет 14,6 %. Соответствие расчетного удельного расхода тепловой энергии на отопление здания классу энергетической эффективности: — диапазон допустимых значений; — -расчетное значение
Выполненные в гл. 4 расчеты по прогнозированию теплопроводности показали, что в результате диффузии газов ВА теплопроводность через 25...45 лет эксплуатации данного материала составит 0,032 Вт/м-С при условии отсутствия развития деструкции. При данном значении теплопроводности q/, равно 23 кДж/(м3-Схут), что соответствует нормальному классу энергоэффективности по [105]. Исходные данные, результаты теплотехнических расчетов и расчет величины qhdes представлены в прил. 2.
Таким образом, для конкретно рассмотренного примера использование ЭГШС THERMIT XPS марки 35 в качестве основного теплоизоляционного слоя толщиной не менее 150 мм в наружной ограждающей конструкции обеспечит соблюдение нормативных условий эксплуатации в течение всего срока службы при условии отсутствия внешних воздействий, приводящих к его деструкции.
Предлагаемую методику можно использовать для любых жилых и общественных зданий и определять значение KR в ходе выполнения энергетиче 104 ской части проектирования для определения долговечности закладываемых в проект теплоизоляционных материалов.
Новый эффективный теплоизоляционный элемент (ТЭ) предназначен для теплоизоляции ограждающих конструкций как строящихся, так и уже построенных зданий и сооружений, выполненных по любой строительной системе (панельное, кирпичное, монолитное) в качестве внешнего или внутреннего теплоизоляционного слоя [47]. На конструкцию ТЭ получен патент на полезную модель [84].
Разработка представляет собой конструкцию, содержащую стенки с отражающим лучистую энергию покрытием, между которыми установлена рама, выполненная из реек и закрепленная по периметру стенок. При этом боковые поверхности стенок, расположенные поперек направления теплового потока (при эксплуатации), и внутренний контур рамы образуют воздушную полость (прослойку). На рис. 5.3 представлен пример ТЭ с шестью воздушными прослойками. Основой для изготовления теплоизоляционного элемента является экструзионный или вспененный пенополистирол.
