Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов при условии квазистационарного теплового режима

Применение в ограждающих конструкциях строительных материалов, обладающих высокими теплозащитными свойствами, приобретает все большую важность в условиях существующих в мире энергетических и экологических проблем.

Актуальность. Поддержание оптимальных параметров температуры в помещении возможно при условии правильно подобранной теплоизоляции, которая обеспечивает и требуемые значения сопротивления теплопередаче, и показатели тепловой инерции ограждающих конструкций. Это, в свою очередь, способствует снижению потребления энергии зданиями, сокращает расходы на энергоресурсы и позволяет защитить окружающую среду от дополнительных вредных выбросов.

Цель. Установление фактических значений теплотехнических характеристик и их сопоставление с нормативными данными для оценки реальной эффективности теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях.

Методы. В рамках работы были определены характеристики материалов как в стационарном, так и в квазистационарном тепловых режимах с использованием лабораторных методов и теоретических исследований.

Результаты. Анализ результатов лабораторных испытаний фрагмента стеновой конструкции выявил существенную разницу между экспериментально определенным коэффициентом теплопроводности и его теоретически рассчитанным значением. Данное расхождение объясняется неточностью нормативных данных, используемых для перевода коэффициента теплопроводности материала из сухого состояния в расчетное, учитывающее эксплуатационную влажность. Для базальтовой ваты отклонение составило 44 %, а для экструзионного пенополистирола – 19 %. Проведенные теоретические исследования продемонстрировали высокую степень соответствия результатов, полученных с использованием плоской расчетной модели, результатам лабораторных испытаний для базальтовой ваты и экструзионного пенополистирола в условиях стационарного и квазистационарного тепловых режимов. Данное соответствие позволило успешно верифицировать разработанную теоретическую модель. Преимуществом теоретического подхода является возможность анализа не только простых плоских конструктивных систем, но и более сложных ограждающих конструкций, содержащих геометрические теплопроводные включения.

Анализ динамики теплового потока в модели наружного угла здания выявил преимущества использования экструзионного пенополистирола в качестве теплоизоляции. В условиях квазистационарного теплового режима конструкция с экструзионным пенополистиролом демонстрирует более стабильные температурные показатели в своей толще по сравнению с аналогичной конструкцией, утепленной базальтовой ватой. Это приводит к уменьшению количества циклов перехода температуры через нулевое значение для материалов, расположенных внутри ограждающей конструкции, что положительно влияет на их долговечность и надежность.

1. Sisman N., Kahya E., Aras N., Aras H. Determination of optimum insulation thicknesses of the external walls and roof (ceiling) for Türkiye’s different degreeday regions // Energy Pol. 2007. V. 35 (10). P. 5151–5155. DOI: 10.1016/j.enpol.2007.04.037

2. Ucar A., Balo F. Determination of the energy savings and the optimum insulation thickness in the four different insulated exterior walls // Renew. Energy. 2010. V. 35 (1). P. 88–94. DOI: 10.1016/j.renene.2009.07.009

3. Liu X., Chen Y., Ge H., Fazio P., Chen G., Guo X. Determination of optimum insulation thickness for building walls with moisture transfer in hot summer and cold winter zone of China // Energy Build. 2015. V. 109. P. 361–368. DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.10.021

4. Kaynaklı O., Kaynaklı F. Determination of optimum thermal insulation thicknesses for external walls considering the heating, cooling and annual energy requirement // Uluda˘g Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi. 2016. V. 21 (1). P. 227–242. DOI: 10.17482/uujfe.27323

5. Kurekci N.A. Determination of optimum insulation thickness for building walls by using heating and cooling degree-day values of all Türkiye’s provincial centers // Energy Build. 2016. V. 118. P. 197–213. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.03.004

6. Huang H., Zhou Y., Huang R., Wu H., Sun Y. Optimum insulation thicknesses and energy conservation of building thermal insulation materials in Chinese zone of humid subtropical climate // Sustain. Cities Soc. 2020. V. 52. DOI: 10.1016/j.scs.2019.101840

7. Verichev K., Serrano-Jim´enez A., Carpio M., Barrios-Padura A., Díaz-L´opez C. Influence of degree days calculation methods on the optimum thermal insulation thickness in life-cycle cost analysis for building envelopes in Mediterranean and Semi-Arid climates // J. Build. Eng. 2023. V. 79. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.107783

8. Canbolat A.S. An integrated assessment of the financial and environmental impacts of exterior building insulation application // J. Clean. Prod. 2024. V. 435. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.140376

9. Ozel M. Thermal performance and optimum insulation thickness of building walls with different structure materials // Appl. Therm. Eng. 2011. V. 31 (17–18). P. 3854–3863. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.07.033

10. Li T., Liu Q., Mao Q., Chen M., Ma C., Wang D., Liu Y. Optimization design research of insulation thickness of exterior wall based on the orientation difference of solar radiation intensity // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 223. DOI: 10.1021/acsomega.3c06432

11. Zheng Z., Xiao J., Yang Y., Xu F., Zhou J., Liu H. Optimization of exterior wall insulation in office buildings based on wall orientation: economic, energy and carbon saving potential in China // Energy. 2024. V. 290. DOI: 10.1016/j.energy.2024.130300

12. Aktemur C., Tarık Çakır M., Faruk Çakır M. Optimising of thermal insulation thickness based on wall orientations and solar radiation using heating-degree hour method // Case Studies in Thermal Engineering. 2024. V. 60. DOI: 10.1016/j.csite.2024.104725

13. Белоус А.Н., Оверченко М.В., Выборнов Д.В. Моделирование теплового режима учебного помещения. Проблемы и перспективы // Строитель Донбасса. 2022. № 3 (20). С. 68–72. EDN: QFJCGM

14. Оверченко М.В. Анализ факторов, влияющих на выбор систем утепления образовательных учреждений // Строительные материалы и изделия. 2019. Т. 2. № 1. С. 24–31. EDN: ZELWDB

15. Белоус А.Н., Оверченко М.В., Белоус О.Е. Разработка теплотехнического измерительного комплекса // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 1. С. 140–151. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-1-140-151. EDN JUMCRT

16. Белоус А.Н., Оверченко М.В., Белоус О.Е. Утепление цокольного узла зданий с неотапливаемым подвалом // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. №11 (50). С. 7–21. DOI: 10.18720/CUBS.50.1. EDN YGHSLN