Для реконструкции старого жилого фонда и нового строительства быстровозводимых зданий из легких ограждающих конструкций в условиях Арктики и Севера требуются эффективные теплоизоляционные материалы, изготавливаемые в заводских и построечных условиях. К таким материалам могут быть отнесены такие термореактивные пенопласты, как пенополиуретаны и пенофенопласты. Как известно, легкие ограждающие конструкции (ЛОК) на их основе наряду с повышенными теплозащитными показателями обладают пониженной теплоустойчивостью, что выражается в перегреве жилых помещений в условиях жаркого лета и быстром их охлаждении при аварийных отключениях отопления в зимнее время [1].
В актуализированных строительных нормах (СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий) базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче R0тр является заданной величиной, определяемой в зависимости от продолжительности отопительного периода для конкретного района строительства [2]. При этом постоянную температуру в жилых помещениях в зимних условиях обеспечивает система отопления.
В отечественных нормах расчет по теплоустойчивости проводится для стеновых конструкций жилых помещений зданий в районах с жарким климатом с целью определения толщины теплоизоляции, при выборе систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также при расчете температурно-влажностного режима помещения с периодической системой отопления.
В условиях резко континентального климата Якутии летом характерны резкие суточные изменения наружной температуры и высокая солнечная радиация. Эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций в климатических условиях Якутии при сочетании утеплителей был обоснован в работах специалистов Института физико-технических проблем Севера СО РАН [3].
Используя известный эффект повышения теплоустойчивости многослойных ограждающих конструкций, автор высказал предположение о возможности использования характерной неоднородности свойств пенопластов по высоте вспенивания для повышения эксплуатационной эффективности материалов в слоистых конструкциях по показателям теплоустойчивости стенового ограждения, а также прогнозировать их структуру и свойства методом математического моделирования на основе теории теплоустойчивости.
Целью исследовательской работы является прогнозирование структуры и свойств термореактивных пенофенопластов для легких ограждающих конструкций методом математического моделирования на основе теории теплоустойчивости.
Материалы и методы исследования
Теоретические расчеты проведены для отечественной марки пенофенопласта ФРП-1 (показатели приняты по СП 50.13330.2012) и модифицированного пенофенопласта «Пенорезол» (показатели определены расчетно-экспериментальным путем) (табл. 1).
Расчет теплоустойчивости легких ограждающих конструкций с теплоизоляционными слоями из пенофенопластов проводится по требованиям свода правил СП 50.13330.2012 и методических указаний [4].
В теории теплоустойчивости строительной теплофизики вводятся дополнительные параметры, такие как тепловая инерция ограждающей конструкции D, коэффициент теплоусвоения s, декремент затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха ν, что рассматривалось в работах О.Е. Власова, Л.А. Семенова, С.И. Муромова и A.M. Шкловера [5]. Математическое моделирование в этой области основано на решении дифференциального уравнения теплопроводности, где на поверхностях ограждающих конструкций выполняются условия теплообмена III рода (СП 50.13330.2012).
Результаты исследования и их обсуждение
Для математического моделирования структуры и свойств термореактивных пенопластов, применяемых в качестве теплоизоляции ЛОК, автором предложена следующая расчетная схема (рис. 1) расположения слоев из вспененных пенофенопластов с различными физико-механическими свойствами (табл. 1), принимая во внимание, кроме собственных, результаты других авторов [6–8].
Для снижения токсичности модифицированных пенофенопластов в составе исходных смесей используют добавочные материалы на основе солей металлов, которые способствуют связыванию свободного фенола в процессе структурообразования, например AlF3 и SnCl2 ·Н2О [9]. Модификаторы данных видов повышают реакционноспособность исходных фенолоформальдегидных смесей, что может быть использовано в напыляемых композициях модифицированного пенофенопласта «Пенорезол» (табл. 1).
Таблица 1
Физико-технические характеристики пенофенопластов
|
№ по рис. 1 |
Название |
В сухом состоянии |
В условиях эксплуатации А |
||||
|
γ0, кг/м3 |
с0, кДж/(кг· °С) |
λ0, Вт/(м· °С) |
w, % |
λА, Вт/(м· °С) |
s, Вт/(м· °С) |
||
|
1 |
ФРП-1 |
100 |
1,68 |
0,047 |
5 |
0,052 |
0,85 |
|
2 |
ФРП-1 |
50 |
1,68 |
0,041 |
5 |
0,050 |
0,59 |
|
3 |
ФРП-1 |
40 |
1,68 |
0,038 |
5 |
0,041 |
0,48 |
|
1 |
Пенорезол |
80 |
1,68 |
0,039 |
4 |
0,042 |
0,75 |
|
2 |
Пенорезол |
40 |
1,68 |
0,036 |
4 |
0,039 |
0,52 |
|
3 |
Пенорезол |
30 |
1,68 |
0,032 |
4 |
0,036 |
0,48 |
Рис. 1. Модельная расчетная схема для оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя ЛОК
Рис. 2. Блок-схема алгоритма по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой ограждающей конструкции
При данной разбивке на элементы в качестве управляющих параметров выбраны теплотехнические характеристики материалов из числа допустимых. Предложенный алгоритм по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой конструкции показан на рис. 2.
В исследованиях легких ограждающих конструкций [3] максимальный эффект повышения теплоустойчивости достигается при сочетании утеплителей с минимальной теплопроводностью и минимальной температуропроводностью. Как известно, величина коэффициента температуропроводности зависит от природы вещества, поэтому в наших исследованиях в качестве материала теплоизоляционного слоя выбрали пенофенопласт, обладающий повышенной удельной теплоемкостью среди разновидностей пенопластов. В расчетной схеме приняты три плотности пенофенопластов (табл. 1), которые в процессе вычислительного эксперимента варьируются в пяти слоях и вычисляются декременты затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха для ограждающих конструкций в целом. При этом вариации слоев по значениям плотности максимально должны соответствовать структуре реальных теплоизоляционных плит из пенофенопластов, изготовленных на технологических линиях в заводских условиях.
Вычислительный эксперимент по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя теплоустойчивой ограждающей конструкции проводится при постоянной температуре внутреннего воздуха жилого помещения (22 °С) и воздействии гармонических суточных температурных колебаний амплитуды наружной температуры.
В вычислительном эксперименте главными расчетными параметрами являются максимальные величины ν и Rк (табл. 2).
Полученные результаты по оптимизации структуры и свойств теплоизоляционного слоя из пенофенопласта ФРП-1 приведены в табл. 2 (поз. 4–9). Наибольшей тепловой инерцией (νмакс = 52,2) обладает трехслойная теплоизоляция из ФРП-1. Для сравнения на поз. 1–3 приведены данные для однослойной теплоизоляции из ФРП-1 с различной плотностью (100, 50 и 40 кг/м3). На практике получить структуру с аналогичной однородной пористостью по высоте вспенивания для заливочных пенофенопластов не представляется возможным.
В поз. 10 и 11 табл. 2 приведены близкие к реальным структурам теплоизоляционных плит из вспененных пенофенопластов «Пенорезол», изготовленных различными способами. Так, структура пенофенопласта, приведенная в поз. 10 табл. 2, характерна для пенофенопластов, полученных способом напыления или заливки при свободном вспенивании композиции. А структура пенофенопласта, показанная в поз. 11, соответствует структуре теплоизоляционного слоя в трехслойных металлических панелях, изготовленных на технологических линиях непрерывного действия [10], а также для теплоизоляционных плит, изготовленных в замкнутой плоской металлической форме [7–9].
Как видно из результатов вычислительного эксперимента (табл. 2), при выбранной разбивке элементов, расчетная максимальная теплоустойчивость однослойной теплоизоляции из пенофенопласта (ν = 63,5) достигается при условии, когда неоднородности физико-механических (плотности и коэффициента теплопроводности) свойств пенофенопластов по высоте вспенивания имеют параболическую зависимость с верхним экстремумом (поз. 12). Однако в реальных условиях получить однослойную теплоизоляцию из вспененных пенопластов с такими характеристиками не представляется возможным.
Наиболее близкое к теоретической оптимальной кривой (поз. 12) распределение средней плотности по высоте вспенивания достигается при сочетании двух плит из модифицированного пенофенопласта, изготовленных в замкнутой металлической форме при температуре 18 °С.
Наиболее близкими к реальным структурам вспененных пенофенопластов оказались расчетные схемы, показанные в позициях 10 и 11, у которых декремент затухания температурных колебаний составляет соответственно 53,3 и 52,8 при достаточно высоком значении термического сопротивления Rк.
Следовательно, вычислительный эксперимент с использованием метода математического моделирования позволяет не только установить оптимальные параметры структуры и физико-механических свойств теплоизоляционных плит из вспененного пенофенопласта, но и прогнозировать рациональные технологии их изготовления (табл. 2), а также оценить эксплуатационную эффективность применяемых пенопластов в составе легких ограждающих конструкций.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили предложить два технологических приема получения модифицированных пенофенопластов с заданной неоднородностью структуры и свойств для ЛОК повышенной теплоустойчивости;
1) изготовление теплоизоляционных плит в замкнутой металлической форме при температуре подложки и композиции 18 °С способом свободного вспенивания модифицированного пенофенопласта с повышенной каталитической активности исходной смеси;
2) изготовление теплоизоляционного слоя ЛОК способом напыления активированной фенолоформальдегидной композиции.
Таблица 2
Результаты вычислительного эксперимента по прогнозированию структуры и свойств пенофенопластов по высоте вспенивания
Примечание: γт – теоретическая кривая распределения плотности (коэффициента теплопроводности) по высоте вспенивания пенофенопласта.
Технология получения теплоизоляционных плит из модифицированных пенофенопластов с заданной структурой и свойствами предполагает их производство на специализированных технологических линиях периодического и непрерывного действия. С другой стороны, применение способа напыления позволяет получать модифицированные пенофенопласты с аналогичными заданными структурой и свойствами в условиях строительной площадки при положительных температурах окружающего воздуха не ниже 18 °С.
Как показывают результаты вычислительного эксперимента, оптимальный выбор структуры и свойств теплоизоляционного слоя из пенофенопластов позволяет повысить теплоустойчивость легких ограждающих конструкций на 47–75 %.
Заключение
На основе результатов вычислительного эксперимента обоснована эффективность использования метода математического моделирования в прогнозировании структуры и свойств вспененных пенофенопластов в качестве теплоизоляционного слоя в легких ограждающих конструкциях повышенной теплоустойчивости.