Теплопроводность клееного бруса, используемого в деревянном домостроении

Актуальность темы

Древесина является уникальным материалом, который используется во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве, где на ее долю приходится до 60% стоимости всех материалов. Особенностью современного состояния российского строительного рынка является увеличение объёмов промышленно-гражданского строительства. Масштабное увеличение спроса на строительные материалы из древесины, в том числе — получаемые в результате механической и механо-физической обработки, обусловлено требованиями повышенной комфортности, экологическими приоритетами, технико-экономическими преимуществами и другими факторами. Возросший интерес к материалам из древесиыы объясняется также наличием значительных сырьевых ресурсов, превосходством древесины перед традиционными материалами по ряду эксплуатационных показателей.

Интерес к деревянному домостроению связан с общей неудовлетворённостью населения России своими жилищными условиями. По официальным данным около 10% населения нуждается в улучшении жилищных условий, от 30 до 70% жилищного фонда требует капитального ремонта и реконструкции, а объём ветхого и аварийного жилья составляет сейчас около 100 млн м2. В этой связи ожидаемый рост потребления древесины для нужд строительства не вызывает сомнений. Основные задачи в этой сфере определены программными решениями Правительства Российской Федерации в части реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России». В частности отмечается, что за счет малоэтажного деревянного домостроения можно обеспечить примерно 70% объемов вводимого жилья. При этом значительную долю будут составлять дома, построенные из клееного бруса.

Как известно, одним из основных требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям, является обеспечение заданного температурного режима в здании. Минстрой России внес серьезные изменения в СНиП П-3−79 «Строительная теплотехника», где в 2−6 раз увеличены требования к тепло-сопротивлению ограждающих конструкций зданий для сохранения тепла в помещениях. В соответствии с действующими нормами одним из основных показателей теплопроводности является сопротивление теплопередаче, которое в свою очередь зависит от коэффициента теплопроводности. По санитарно-гигиеническим требованиям для районов средней полосы России требуемое значение коэффициента сопротивления теплопередаче ограждающих.

2 О конструкций 11^,= 3,49 м • С/Вт. При его определении обычно используют рекомендации, приведенные в СНиП П-3−79*, в частности — справочные данные о коэффициенте теплопроводности А,. Необходимо отметить, что в нормах для материалов из древесины приведены данные для сосны, дуба, фанеры и плитных материалов, в то время как данные о величине коэффициента ^ теплопроводности и термического сопротивления для клееного профилированного бруса отсутствуют.

Из работ отечественных и зарубежных ученых известно, что строительные конструкции из древесины необходимо рассматривать не как орто-тропное, а как трансверсальное тело. Поэтому задача по определению тепло- ^ проводности сводится к определению коэффициента теплопроводности всего лишь в двух направлениях: вдоль и поперек волокон. На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700 °С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами. Вторая группа методов позволяет проводить эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах. Кроме того, известные методы определения коэффициента теплопроводности основаны на применении довольно сложного лабораторного оборудования, либо коэффициент теплопроводности может быть определен только для «малого, чистого» образца однородной структуры, в то время как клееный брус обычно имеет большие размеры сечения, анизотропную и разнородную структуру. Поэтому в работе поставлена задача исследования теплотехнических свойств деревянного клееного бруса с учетом особенностей его макроструктуры, а именно — внутренней сучковатости.

Цель работы и задачи исследований — обеспечение требований теплозащиты ограждающих конструкций из клееного бруса путем определения коэффициента теплопроводности с учетом внутренней сучковатости.

Данная цель соответствует паспорту специальности 05.21.05 — «Древесиноведение. Технология и оборудование деревообработки», а именно п. 1 «Исследование свойств и строения древесины" — программным задачам, определенным Правительством РФ в сфере углубленной переработки древесины и жилищного строительства. Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

— выполнить теоретическое обоснование влияния сучковатости внутренних и наружных слоев клееного бруса на коэффициент теплопроводности;

— разработать математическую модель, отражающую влияние диаметра и количество сучков в ламелях на теплопроводность клееного бруса;

— обосновать интервал возможных значений коэффициента теплопроводности для наиболее распространенного варианта конструктивного исполнения клееного бруса;

— провести всесторонний анализ существующих методов и разработать усовершенствованную методику определения коэффициента теплопроводности;

— разработать и создать экспериментальную установку для исследования закономерностей теплопроводности клееного бруса, позволяющую учитывать внутреннюю сучковатость ламелей;

— провести комплекс экспериментальных исследований по отработке методики определения коэффициента теплопроводности клееного бруса;

— разработать рекомендации по снижению трудоемкости проведения опытов и обеспечению требуемой точности результатов опытов;

— экспериментально обосновать значения коэффициента теплопроводности клееного бруса и дать оценку сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований;

— обосновать экономическую эффективность результатов выполненных исследований.

Объектом исследований является деревянный клееный брус. Предмет исследований — теплопроводность клееного бруса с учетом внутренней сучковатости.

Научная новизна работы. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты, обладающие определенной научной новизной:

1. Обоснована методика для определения теплопроводности образцов клееной древесины больших сечений.

2. Разработана математическая модель, отражающая закономерность изменения коэффициента теплопроводности клееного бруса в зависимости от количества и диаметра сучков в наружных и внутренних ламелях.

3. Разработан лабораторный комплекс и программное обеспечение для автоматизации исследований параметров теплопроводности клееного бруса. В основу программного обеспечения при этом положены выведенные в ходе исследований математические зависимости.

4. Выполнено теоретическое обоснование интервала возможных значений коэффициента теплопроводности клееного бруса.

5. Определены коэффициенты для перевода экспериментально определенных значений коэффициентов теплопроводности трехи пятислойно-го бруса в расчетные.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты работы:

1. Математическая модель, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от внутренней сучковатости клееного бруса;

2. Методика исследования теплопроводности клееного бруса;

3. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности клееного бруса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследованийприменением общепринятых методов дисперсионного анализа, использованием фундаментальных положений теории анизотропии и теплопроводности древесиныприменением методов математической статистики и современных достижений вычислительной техникиудовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем. Для сокращения затрат времени на однотипную обработку данных в работе использовался пакет прикладных программ Microsoft Excel. Значимость для теории и практики. Для теории имеют значение: методика определения теплопроводности клееного брусатеоретические зависимости коэффициента теплопроводности клееного бруса от количества и диаметра сучков в ламелях;

Для практики имеют значения:

— значения поправочного коэффициента для перевода экспериментальных значений коэффициента теплопроводности в расчетные;

— рекомендации по автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности, включающие принципиальную схему лабораторного комплекса, алгоритм, программное обеспечение и режимы проведения экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции, посвященной 75летию БГИТА (Брянск, БГИТА, 2006 г.) — научно-технической конференции Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург, УГЛТУ, 2006 г.), международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, БГИТА, 2007;2008 г. г.) — IV международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, ВоГТУ, 2007 г.) — международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г. г.) — семинаре «Продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев» (Москва, МГУЛ, 2008 г.).

Основные результаты отражены в госбюджетной НИР (№ гос.рег. 0 120.0.8 137, 2006 г.), переданы для внедрения в ООО «Стройсервис МД», г. Кострома, ООО «Костромалеспроект» и используются в учебном процессе в Костромском государственном технологическом университете в преподавании дисциплин «Древесиноведение», «Основы строительного дела», «Комплексное использование древесины», а также в ходе научно-исследовательский работ и при дипломном проектировании.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору * кафедры теплотехники МГУЛеса Семенову Ю. П. за ряд практических советов и рекомендаций, полученных в процессе работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Общий объем статей составляет 2,5 п.л.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 132 страницы, 39 рисунков, 20 таблиц, список литературы — 103 наименования.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Обеспечение требуемых эксплуатационных показателей клееного бруса в связи с увеличением спроса на него является важной задачей, непосредственно связанной с реализацией Федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины», а также «Доступное и комфортное жилье — гражданам России».

2. Клееный профилированный брус обладает присущей древесине анизотропностью, наличием разных по диаметру и количеству сучков, которые образуют участки с повышенной теплопроводностью. Поэтому применение справочных значений коэффициента теплопроводности X, приведенных в СНиП 23−02—2003 для фанеры или цельной древесины и используемых для определения толщины ограждающих конструкций домов из клееного бруса, является не вполне оправданным.

3. Существующие способы определения коэффициента теплопроводности обладают рядом недостатков, затрудняющих их использование. Поэтому были разработаны новое устройство и методика определения коэффициента теплопроводности клееного бруса, обеспечивающие снижение трудозатрат на подготовку образцов, а также требуемую точность результатов опытов. Автоматизированный лабораторный комплекс рекомендуется к использованию при определении коэффициента X как новых видов бруса, так и в эксплуатируемых зданиях.

4. Разработана математическая модель, основанная на положениях теории теплопроводности и устанавливающая связь между коэффициентом теплопроводности клееного бруса, количеством и диаметром сучков в ламе-лях. Данная модель рекомендуется при определении параметров ограждающих конструкций из клееного бруса.

5. На практике при изготовлении клееного бруса для наружных слоев используются ламели, в которых встречаются по три сучка диаметром до 12 мм, на каждом погонном метрево внутренних ламелях количество сучков доходит до семи штук диаметром до 55 мм на каждом погонном метре.

6. На коэффициент теплопроводности клееного бруса значимо влияют количество и диаметр сучков, при этом большее влияние оказывает количество сучков на каждом погонном метре длины ламели.

7. Для обеспечения требуемой точности определения коэффициента теплопроводности рекомендуется принимать число дублирующих опытов п = 4. При этом необходимо устанавливать в крайних ламелях бруса по два датчика.

8. В ходе экспериментальных исследований были определены основные режимы проведения опытов по определению коэффициента теплопроводности клееного бруса. При исследовании теплопроводности клееного бруса мощность нагревательного элемента рекомендуется устанавливать в интервале от 15 до 20 Вт. Увеличение мощности выше 20 Вт приводит к уменьшению влажности древесины вблизи нагревательного элемента и, следовательно, отрицательно влияет на достоверность полученного результата. Время проведения опытов зависит от размеров клееного бруса и составляет от 6 до 8 часов.

9. Количество слоев в брусе значимо влияет на результат определения коэффициента теплопроводности древесины. Это связано с тем, что брус изготавливается из ламелей разного сорта, следовательно, в нем встречаются различные сучки, по-разному влияющие на повышение коэффициента теплопроводности.

10. Определен интервал значений коэффициента теплопроводности для бруса, склеенного из сосновых ламелей, при влажности древесины 10%, температуре 20°С: от 0,184 до 0,23 Вт/м-°С, который рекомендуется к использованию при проектировании ограждающих конструкций из клееного бруса.

11. Для трехслойного клееного бруса сечением 120×150 мм рекомендуется использовать значение коэффициента теплопроводности при средней температуре среды 20 °C X = 0,218 ± 0,014 Вт/(м-0С) — для пятислойного сечением 200×150 мм X = 0,228 ± 0,008 Вт/(м, 0С). При этом точность определения коэффициента теплопроводности соответственно равна 6,4% и 3,5%.

12. При определении коэффициента теплопроводности конструкций из клееного бруса значения, полученные экспериментальным путем по описанной методике, надо умножать на поправочный коэффициент. Для трехслойного бруса он равен 1,068, для пятислойного — 1,055.

13. Наличие сучков в ламелях оказывает влияние на характер изменения температурного поля в ходе опытов. Как установлено сучки, состоящие из более плотной древесины и проходящие под углом от 70° до 90° к направлению волокон в ламелях, повышают теплопроводность материала. Об этом свидетельствует более интенсивное изменение температурного поля в ламелях с сучками.

14. Отклонение экспериментальных значений коэффициента теплопроводности от теоретически вычисленных не превышает 2,7%, что подтверждает корректность математической модели и принятых при ее разработке допущений.

15. Экспериментально доказанное повышение теплопроводности клееного бруса по сравнению с нормативным значением требует увеличения толщины слоя утеплителя. Повышение стоимости конструкции будет компенсировано снижением расходов на отопление в течение всего срока службы здания, при этом единовременные затраты окупятся уже через два года.