Методическое пособие 810

рости движения воздуха внутри помещений в соответствии с СП 60.13330.2012 соблюдаться не будут, что негативно скажется на ощущении теплового комфорта жителей [12, 13, 16].

Актуальными являются исследования, которые направлены на снижение тепловых потерь зданий и сооружений различными способами [1, 7, 10, 12, 17, 19]. Однако в условиях многоэтажной застройки необходимо наличие надежной герметизации швов наружных ограждающих конструкций [17]. К нарушению герметизации и значительным тепловым потерям ведет неправильная эксплуатация ограждающих конструкций и несоблюдение нормативных сроков проведения ремонтных работ [18, 20]. Актуальность данной работы заключается в возможности равномерного распределения тепла внутри жилых строений за счет применения теплонасосной системы (ТНС). Приводимая система тепловых насосов на основании показаний датчиков будет снижать температуру теплоносителя, идущего на обогрев помещений с подветренной части зданий, направляя ее на отопление помещений с наветренной стороны.

1.Постановка задачи. Снижение нагрузки на систему отопления и поддержание требуемых температурных параметров внутреннего воздуха возможно при внедрении теплонасосного оборудования. Используя пофасадное регулирование совместно с тепловыми насосами (ТН), можно корректировать тепловой режим помещений у «наветренного» фасада здания в зависимости от отклонения температуры воздуха помещения, изменения температуры наружного воздуха, величины солнечной радиации на наружную стену и влияния ветровых потоков больших скоростей [1, 19]. Оптимизация работы ТНС позволит значительно снизить затраты на отопление.

Максимальный эффект от пофасадного регулирования должен наблюдаться при быстром и адекватном реагировании системы на изменение погодных условий: снижении температуры воды на подаче в систему отопления в соответствии с изменением нагрузки. Возможности автоматических комплексов системы пофасадного регулирования с ТНС позволяют использовать алгоритмы изменения температуры теплоносителя внутри системы, что реализуется при опытной эксплуатации [6, 10]. Дополнительный эффект удается достичь, используя систему пофасадного регулирования с термостатическими датчиками, установленными на отопительные приборы [4] (рис. 1).

2.Применение ТНС. В данном исследовании приводится модель индивидуального теплового пункта системы отопления, в состав которого входят пофасадная система регулирования и два тепловых насоса. Конденсаторы ТН соединены последовательно, испарители параллельно. Последние «перекачивают» избыточную тепловую энергию, идущую на обогрев подветренного или/и расположенного на солнечной стороне фасада, для снабжения теплом наветренной или/и теневой части здания.

Рассмотренная система имеет два циркуляционных контура и может быть использована

взданиях, имеющих поэтажные планы прямоугольной формы. Преимуществом описанной модели является преобразование теплоты в более широком интервале температур, чем предложено ранее [2, 13], так как для каждого цикла ТН можно подобрать рабочее вещество с наиболее благоприятными свойствами в требуемых пределах изменения параметров.

Затраты условного топлива на работу ТНС являются основным критерием оптимизации. По наименьшему значению данного расхода подбираются необходимые параметры работы ТН и определяется степень их влияния на работу системы [11]. Расход условного топлива системы ВТНС, кг. у. т./с, [5, 9] рассчитывается по формуле:

41

Научный журнал строительства и архитектуры

где TO1, TO2 — температура испарения рабочего тела ТН1 и ТН2, К; TK1, TK2 — температура конденсации рабочего тела ТН1 и ТН2 соответственно, К; cp — удельная изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К); TK2, TK1 — конечная разность температур рабочего тела и теплоносителя в конденсаторе ТН2 и ТН1 соответственно, К; T3 — температура воды до конденса-

тора второго ТН, К; GC — массовые расходы теплоносителя в системе отопления, кг/с; ЭK —

КПД выработки электроэнергии на конденсационных электростанциях; φСН — коэффициент собственных нужд КЭС; ηЭ. С. — КПД работы электрической сети.

Рис. 1. Принципиальная схема ТНС, работающая совместно с системой пофасадного регулирования: 1 — тепловой насос ТН1; 2 — тепловой насос ТН2; 3 —конденсатор; 4 — испаритель; 5 — сетевой насос; 6 — бак-аккумулятор, 7 — теплообменник; Qk — тепловая нагрузка конденсатора ТН, кВт;

TO — температура испарения рабочего тела ТН, К; GH1 — массовый расход воды в системе отопления

у подветренного фасада, кг/с; GC —массовый расход воды в системе отопления унаветренного фасада, кг/с; tH1, tH2 — температура воды на входе во второй и на выходе из первого испарителя ТН соответственно, К; tB1, tB2 — температура воды на входе в первый и на выходе из конденсатора второго ТН соответственно, К; tK1, tK2 — температура конденсации рабочего тела ТН1 и ТН2 соответственно, К;

Т1 и Т2 — температура теплоносителя системы отопления у наветренного фасада до и после ТНС соответственно

Примем безразмерные температуры конденсации рабочего тела, отнесенные к соответствующим температурам испарения в испарителях ТН1 ТН2, и безразмерные комплексы постоянных [3], определяемых формулой:

42

где ε1 — относительная разность КПД работы ТН1 и ТН2; ε2 — относительная конечная разность температур в конденсаторах ТН (к температуре испарения рабочего тела в испарителе ТН); δО — отношение температур испарения рабочего тела в конденсаторах ТН1 и ТН2.

Введя преобразования (2) в безразмерную функциюобщего расхода условного топлива[6], получим:

описание функции с1 приведено в [6].

Проведем анализ влияния КПД тепловых насосов, соединенных в систему следующим образом: конденсаторы последовательно, испарители параллельно. Учтем, что при последовательном соединении конденсаторов конечные разности температур хладагента и теплоносителя в каждом из них практически равны. Оценим сочетание величин, когда параметр теп-

лопередачи 2 1, а величина параметра КПД работы 1 находится в диапазоне 1*,1 2 ,

т. е. КПД работы первого теплового насоса больше, чем второго.

В результате исследований было получено выражение, определяющее оптимальные температуры конденсации рабочих тел ТН и приводящее целевую функцию к наименьшему значению:

Описание функции с1, А приведено в [6].

43

Научный журнал строительства и архитектуры

Для энергоэффективного функционирования ТНС необходимо учитывать последовательность тепловых насосов с различными КПД по направлению нагрева теплоносителя. Из зависимости (4) следует, что в случае если КПД работы ТН1 превышает аналогичное значение ТН2, то конечная разность температур хладагента и теплоносителя в конденсаторе ТН1 больше, чем у ТН2:

Основные параметры работы системы тепловых насосов представлены в таблице.

На основе полученных данных (рис. 2) можно сделать вывод, что при последовательном соединении конденсаторов и параллельном испарителей тепловых насосов в тепловой станции, в том случае если КПД работы ТН1 больше значения аналогичного параметра ТН2, установка второго теплового насоса является нерациональной и экономически невыгодной.

Рис. 2. График оптимальных температур конденсации рабочих тел в зависимости от КПД работы первого теплового насоса

Нерациональность использования второго ТН обусловлена тем, что оптимальная температура конденсации рабочего тела первого теплового насоса выше, чем второго. Таким образом, нагрев теплоносителя внутреннего контура в первом тепловом насосе происходит до температуры, которую второй тепловой насос уже не может повысить при рациональных режимах работы теплонасосной станции. Тепловая нагрузка покрывается только первым тепловым насосом, а установка второго ведет к неоправданному увеличению капитальных и эксплуатационных затрат.

44

Выводы

1.Установлено, что использование системы пофасадного регулирования, работающей совместно с тепловыми насосами, дает возможность поддерживать благоприятные условия проживания и соблюдение нормируемых температурных параметров микроклимата, которые нарушаются из-за ветровых потоков снаружи здания.

2.Предложена принципиальная схема ТНС, работающая совместно с системой пофасадного регулирования. Рассматриваемая система осуществляет перенос избыточной тепловой энергии, идущей на отопление более теплых помещений с «подветренной» стороны или/и расположенных на солнечной стороне фасада, для снабжения теплом «наветренных» или/и теневых комнат.

Критерием оптимизации параметров работы установки при рациональном использование тепловой энергии в здании является расход условного топлива.

3.Установлено, что при последовательном соединении конденсаторов и параллельном

испарителей тепловых насосов в тепловой станции, в том случае если КПД работы ТН1 больше значения аналогичного параметра ТН2, установка второго теплового насоса является нерациональной и экономически невыгодной.

Библиографический список

1. Аверьянова, О. В. Энергосберегающие технические решения для местно-центральных систем обеспечения микроклимата при использовании тепловых насосов в качестве местных агрегатов, объединенных в единый водяной контур / О. В. Аверьянова // Инженерно-строительный журнал. — 2011. — № 1 (19). — С. 37—45.

2. Богословский, В. Н. Тепловой режим здания / В. Н. Богословский. — М.: Стройиздат, 1979. —

248 с.

3.Исанова, А. В. Влияние КПД тепловых насосов теплонасосной станции на рациональные температуры конденсации рабочего тела тепловых наосов при малых относительных конечных разностях температур в их конденсаторах / А. В. Исанова, В. И. Лукьяненко // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2012. — Т. 8, № 11. — С. 129—131.

4.Исанова, А. В. Влияние параметров работы теплонасосной установки системы теплоснабжения на выбор энергосберегающего режима ее функционирования / А. В. Исанова, Г. Н. Мартыненко, В. И. Лукьяненко // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2012. — Т. 8, № 11. — С. 129—131.

5.Исанова, А. В. Влияние параметров работы теплонасосной установки системы теплоснабжения на выбор энергосберегающего режима ее функционирования // А. В. Исанова, Г. Н. Мартыненко, В. И. Лукьяненко / Международный научно-исследовательский журнал. —2015. — № 2 (33). — С. 36—38.

6.Исанова, А. В. Определение расхода условного топлива в системе последовательно связанных тепловых насосов при энергоэффективном режиме работы / А. В. Исанова // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2016. — Т. 12, № 3. — С. 36 — 40.

7.Кононова, М. С. Оценка потенциальной экономии энергоресурсов на отопление зданий за счет теплопоступлений от солнечной радиации / М. С. Кононова, Е. Ю. Сороченкова, Н. Н. Смирнова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2016. — №1 (22). — С. 35—41.

8.Куприянов, В. Н. Градостроительная климатология / В. Н. Куприянов.— Казань: Изд-во Казанского гос. арх.-строит. ун-та, 2012. —147 с.

9.Лукьяненко, А. В. Оптимальные расходы условного топлива в системе последовательно связанных тепловых насосов / А. В. Лукьяненко, А. П. Бырдин, Г. Н. Петраков // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2008. — Т. 4, № 12. — С. 148 — 153.

10.Лукьяненко, А. В. Проектирование физических параметров конденсаторов теплонасосных установок в системах теплоснабжения / А. В. Лукьяненко, А. П. Бырдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2009. — Т 5, № 10. — С. 196—200.

11.Петраков, Г. Н. Распределение тепловой нагрузки между тепловым насосом и пиковой котельной / Г. Н. Петраков, В. Г. Стогней, А. В. Мартынов // Вестник Воронежского государственного технического университета. Сер.: Энергетика. — 2004. — Вып. 7.4. — С. 121— 125.

12.Попова, И. В. Анализ микроклимата городской среды / И. В. Попова, С. А. Куролап // Экологическая оценка и картографирование состояния городской среды: сб. ст. / под ред. С. А. Куролапа. — Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2014. — С. 30—40.

45

Научный журнал строительства и архитектуры

13.Руководство по оценке и регулированию ветрового режима жилой застройки / под ред. К. И. Семашко. — М.: Стройиздат, 1986. — 64 с.

14.Batukhtin, A. G. Energy Saving Measures for Public Office Buildings / A. G. Batukhtin, M. V. Kobylkin, S. G. Batukhtin, P. G. Safronov // The 5th International Conference on Eurasian Scientific Development. — Vienna, 2015. — Р. 115—118.

15.Clarke, J. A. Energy Simulation in Building Design / J. A. Clarke. — Butterworth-Heinemann, 2001. —

384 p.

16.Energy Concept for an Environmentally Sound, Reliable and Affordable Energy Supply [Электронный ресурс] / Federal Ministry of Economics and Technology. — Berlin: BMWi, 2010. — 32 p. — Режим доступа: https://www.osce.org/eea/101047?download=true.

17.Höppe, P. The Physiological Equivalent Temperature — a Universal Index for the Biometeorological Assessment of the Thermal Environment: Diss. Die Energiebilanz des Menschen / P. Höppe. — München: Fakultätfür Physik der Ludwig-Maximilians Universität, 1999. — 156 р.

18.Long-term Climate and Energy Strategy [Электронный ресурс] // Motiva OY, 2001. — Режим доступа: http://www.motiva.fi/en/energy_in_finland/national_climate_and_energy_strategy.

19.Reich, D. Теплонасосные климатические системы реальное энергосбережение и комфорт/ D. Reich, А. Тутунджян, С. Козлов // Энергосбережение. — 2005. — №  5. — С. 21−24.

20.Second National Energy Efficiency Action Plan (NEEAP) of the Federal Republic of Germany / Federal Ministryof Economics and Technology. — Berlin: BMWi, 2011. — 110 p.

References

1.Aver'yanova, O. V. Energosberegayushchie tekhnicheskie resheniya dlya mestno-tsentral'nykh sistem obespecheniya mikroklimata pri ispol'zovanii teplovykh nasosov v kachestve mestnykh agregatov, ob"edinennykh

vedinyi vodyanoi kontur / O. V. Aver'yanova // Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. — 2011. — № 1 (19). — S. 37— 45.

2.Bogoslovskii, V. N. Teplovoi rezhim zdaniya / V. N. Bogoslovskii. — M.: Stroiizdat, 1979. — 248 s.

3.Isanova, A. V. Vliyanie KPD teplovykh nasosov teplonasosnoi stantsii na ratsional'nye temperatury kondensatsii rabochego tela teplovykh naosov pri malykh otnositel'nykh konechnykh raznostyakh temperatur v ikh kondensatorakh / A. V. Isanova, V. I. Luk'yanenko // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2012. — T. 8, № 11. — S. 129—131.

4.Isanova, A. V. Vliyanie parametrov raboty teplonasosnoi ustanovki sistemy teplosnabzheniya na vybor energosberegayushchego rezhima ee funktsionirovaniya / A. V. Isanova, G. N. Martynenko, V. I. Luk'yanenko // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2012. — T. 8, № 11. — S. 129—131.

5.Isanova, A. V. Vliyanie parametrov raboty teplonasosnoi ustanovki sistemy teplosnabzheniya na vybor energosberegayushchego rezhima ee funktsionirovaniya // A. V. Isanova, G. N. Martynenko, V. I. Luk'yanenko / Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal. — 2015. — № 2 (33). — S. 36—38.

6.Isanova, A. V. Opredelenie raskhoda uslovnogo topliva v sisteme posledovatel'no svyazannykh teplovykh nasosov pri energoeffektivnom rezhime raboty / A. V. Isanova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2016. — T. 12, № 3. — S. 36 — 40.

7.Kononova, M. S. Otsenka potentsial'noi ekonomii energoresursov na otoplenie zdanii za schet teplopostuplenii ot solnechnoi radiatsii / M. S. Kononova, E. Yu. Sorochenkova, N. N. Smirnova // Nauchnyi zhurnal. Inzhenernye sistemyi sooruzheniya. — 2016. — № 1 (22). — S. 35—41.

8.Kupriyanov, V. N. Gradostroitel'naya klimatologiya / V. N. Kupriyanov.— Kazan': Izd-vo Kazanskogo gos. arkh.-stroit. un-ta, 2012. —147 s.

9.Luk'yanenko, A. V. Optimal'nye raskhody uslovnogo topliva v sisteme posledovatel'no svyazannykh teplovykh nasosov / A. V. Luk'yanenko, A. P. Byrdin, G. N. Petrakov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2008. — T. 4, № 12. — S. 148 — 153.

10.Luk'yanenko, A. V. Proektirovanie fizicheskikh parametrov kondensatorov teplonasosnykh ustanovok v sistemakh teplosnabzheniya / A. V. Luk'yanenko, A. P. Byrdin // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2009. — T 5, № 10. — S. 196—200.

11.Petrakov, G. N. Raspredelenie teplovoi nagruzki mezhdu teplovym nasosom i pikovoi kotel'noi / G. N. Petrakov, V. G. Stognei, A. V. Martynov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser.: Energetika. — 2004. — Vyp. 7.4. — S. 121— 125.

12.Popova, I. V. Analiz mikroklimata gorodskoi sredy / I. V. Popova, S. A. Kurolap // Ekologicheskaya otsenka i kartografirovanie sostoyaniya gorodskoi sredy: sb. st. / pod red. S. A. Kurolapa. — Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 2014. — S. 30—40.

13.Rukovodstvo po otsenke i regulirovaniyu vetrovogo rezhima zhiloi zastroiki / pod red. K. I. Semashko. — M.: Stroiizdat, 1986. — 64 s.

46

14.Batukhtin, A. G. Energy Saving Measures for Public Office Buildings / A. G. Batukhtin, M. V. Kobylkin, S. G. Batukhtin, P. G. Safronov // The 5th International Conference on Eurasian Scientific Development. — Vienna, 2015. — Р. 115—118.

15.Clarke, J. A. Energy Simulation in Building Design / J. A. Clarke. — Butterworth-Heinemann, 2001. —

384 p.

16.Energy Concept for an Environmentally Sound, Reliable and Affordable Energy Supply [Elektronnyi resurs] / Federal Ministry of Economics and Technology. — Berlin: BMWi, 2010. — 32 p. — Rezhim dostupa: https://www.osce.org/eea/101047?download=true.

17.Höppe, P. The Physiological Equivalent Temperature — a Universal Index for the Biometeorological Assessment of the Thermal Environment: Diss. Die Energiebilanz des Menschen / P. Höppe. — München: Fakultätfür Physik der Ludwig-Maximilians Universität, 1999. — 156 р.

18.Long-term Climate and Energy Strategy [Elektronnyi resurs] // Motiva OY, 2001. — Rezhim dostupa: http://www.motiva.fi/en/energy_in_finland/national_climate_and_energy_strategy.

19. Reich, D. Teplonasosnye klimaticheskie sistemy real'noe energosberezhenie i komfort// DD.. Reich,

A.Tutundzhyan, S. Kozlov // Energosberezhenie. — 2005. — №  5. — S. 21−24.

20.Second National Energy Efficiency Action Plan (NEEAP) of the Federal Republic of Germany / Federal Ministryof Economics and Technology. — Berlin: BMWi, 2011. — 110 p.

OPTIMIZATION OF OPERATION OF A HEAT-PUMP FACADE SYSTEM OF HEATING DURING OBSERVANCE OF THE REQUIRED PARAMETERS OF THERMAL COMFORT OF RESIDENTIAL BUILDINGS

A. V. Isanova1, G. N. Martynenko2

Voronezh State Technical University1, 2

Russia, Voronezh

1PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Housing and Communal Services, tel.: (473)271-52-49, e-mail: a.isanova@bk.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473) 271-53-21, e-mail: glen2009@mail.ru

Statement of the problem. The influence of the speed of wind of areas inside backyards of urban multistoreyed quarters on a decrease in thermal comfort in premises is considered. Loss of saved thermal energy affects an internal microclimate of structures. A drop of the temperature of the internal air of a part of a construction generally affects its thermal mode, which leads to an increase in the operational costs of maintaining the required parameters of the microclimate and deterioration of the indices of the power efficiencyof a building.

Results. In order to maintain the acceptable parameters, a heat-pump system (HPS) of façade regulation is considered. The described model consists of two consistently connected thermal pumps and systems of sensors as well as two contours of a system of heating. During the operation of the equipment the excess thermal energy for heating of the rooms located on the side of the building less exposed to winds goes into the colder premises from the part of the facade which is more exposed to winds.

Conclusions. The option for optimizing the operation of a HPS during consecutive connection of condensers is considered and parallel evaporators of thermal pumps for the consumption of the conditional fuel for smooth functioning of the system. Studies of the model of a heat-pump station where the efficiency of the first thermal pump exceeds that of the second one are presented. Their effect on the consumption of conditional fuel as a result of redistribution of thermal energy between premises on different facades of the building is investigated.

Keywords: thermal comfort, system of façade regulation, optimization of a heat pump, buildings with low energy consumption.

47

Научный журнал строительства и архитектуры

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.3

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ БЕЗОБЖИГОВОГО ИЗВЕСТКОВО-ПЕСЧАНОГО ФОСФОГИПСОВОГО МАТЕРИАЛА

О. Б. Кукина 1, А. А. Абраменко 2, В. В. Волков 3

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доц. кафедры химии и химической технологии материалов, тел.: (473)2717-617, e-mail: lgkkn@rambler.ru

2Аспирант кафедры строительных конструкций оснований и фундаментов им. проф. Ю. М. Борисова

3Канд. техн. наук, доц. кафедры теоретической и прикладной механики

Постановка задачи. Рассматривается задача проектирования оптимального состава безобжигового известково-песчаного фосфогипсового материала для производства стеновых композитов и комплектных систем.

Результаты. Осуществлен статистический анализ результатов исследования свойств получаемого материала на основе центрального двухфакторного эксперимента с центральным ротатабельным планированием. Для повышения достоверности результатов рандомизирована очередность факторов эксперимента. Выявлен диапазон варьирования технологических параметров и исследовано влияние их на прочностные свойства безобжигового известково-песчаного фосфогипсового материала; получена аналитическая зависимость, описывающая взаимное влияние исходных величин на физико-механические свойства; построено регрессионное уравнение, учитывающее ковариационную связь энергетических параметров, изменяющихся при всестороннем обжатии молекул, и описывающее физическое взаимодействие между частицами в процессе структурообразования. В полученной аналитической зависимости прочности известково-песчаного фосфогипсового материала от технологических параметров (давления прессования и времени перемешивания) устанавливается область возможного максимального набора прочности безобжигового известковопесчаного фосфогипсового материала, соответствующая заданным эксплуатационным требованиям к стеновым и комплектным системам.

Выводы. Предложены составы известково-песчаного фосфогипсового материала для получения стеновых строительных материалов по безобжиговой технологии с использованием фосфогипса дигидрата. Этодаетвозможность формоватьресурсосберегающие, эффективные, экологическичистые, с заданными эксплуатационными свойствами стеновые изделия: кирпич, полублок, перегородки.

Ключевые слова: статистический анализ, безобжиговые технологии, известково-песчаный фосфогипсовый материал, моделирование.

Введение. Промышленность перерабатывает миллионы тонн одних материалов в другие, при этом формируется большое количество отходов [8]. В частности, фосфогипс дигидрат является крупнотоннажным отходом производства серной кислоты. При сернокислотном методе вскрытия апатитового концентрата на 1 т фосфорной кислоты Н3РО4 в зависимости от сырья и принятой технологии образуется от 4,3 до 5,8 т фосфогипса дигидрата.

Несмотря на значительное количество разработок по утилизации, из 20 млн т получаемого ежегодно фосфогипса дигидрата находит применение только 0,3 млн т, или 1,5 %, ос-

© Кукина О. Б., Абраменко А. А., Волков В. В., 2018

48

тальное удаляется с территории предприятий как отход, где хранится в отвалах десятилетиями, а воздействие внешних условий изменяет их физико-механические свойства. Таким образом, вопросы, связанные с изучением свойств отвального фосфогипса дигидрата с последующим созданием материалов на его основе и генерацией новых технологий по его применению, являются по-прежнему актуальными [3—7, 15 ‒ 20].

Для анализа влияния различных факторов, участвующих в процессе формирования композиционных строительных материалов (КСМ) по безобжиговой технологии, в основе которой структурообразующую роль играл фосфогипс, были применены математические подходы с использованием методов планирования эксперимента [1, 2, 9]. Важную роль играет выбор параметров, влияющих на взаимосвязи свойств материалов с параметрами технологии и имеющих вид уравнения регрессии.

1. Проведение эксперимента. На основе анализа проведенных исследований основными факторами, влияющими на прочность композитов, были приняты: Х1 — время перемешивания сырьевой смеси, %; Х2 — прессовое давление, МПа.

Выбор данных факторов обусловлен тем, что, согласно теоретическим положениям, формирование структуры прессованных на основе фосфогипса КСМ происходит по растворному и контактно-конденсационному механизмам. В последнем случае предполагается образование совместных плоскостей кристаллизации фосфогипса, извести и супеси в определенных соотношениях их массовых долей, времени технологического перемешивания сырьевой смеси и приложения прессового давления.

Все эти факторы совместимы и некоррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Пределы изменения входных факторов

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями растворного и контактно-конденсационного твердения, техническими возможностями осуществления процесса прессования. Критерием оценки влияния различных факторов на процесс структурообразования был принят Y — предел прочности при сжатии КСМ с участием фосфогипса после 28 суток твердения.

Программа исследований была сгенерирована в матрицу планирования эксперимента

(табл. 2).

49

Научный журнал строительства и архитектуры

Окончание табл. 2

2. Результаты эксперимента. В результате статистической обработки экспериментальных данных прочности от давления прессования, МПа, и времени перемешивания, мин, получено уравнение регрессии от влияния заданных факторов.

Использование данного планирования позволяет охарактеризовать искомые зависимости в виде полинома третьей степени. Крутизна изменения результатов свидетельствует о наличии внутренних энергетических процессов.

На начальном этапе были проанализированы градиенты изменения параметров, участвующих в планировании эксперимента, а также полученные результаты.

Для уменьшения количества корректируемых точек был использован план крутого восхождения. Коэффициенты модели рассчитывались на основе матричного соотношения входных параметров (табл. 3):

1

В 2 4 k 2 4 k 22 , (1)

где λ2, λ4 — связи ковариационной функции:

Расчет функциональной зависимости прочности показал влияние на результат эксперимента двух величин — температуры как полинома второй степени и давления как полинома третьей степени. Так как коррелированными оказались слабо зависимые параметры, то для нахождения оптимального решения были проанализированы функциональные зависимости дисперсии вдоль пути восхождения,

Коррекция точек осуществлялась методом центрирования измерений, и так как план ненасыщен, то можно использовать стандартную методику проверки адекватности модели по несмещенной оценке, дисперсии ошибок наблюдения:

R2 SR / [N –(k 1)(k 2)/2].

50