Ограждающие конструкции энергоэффективных зданий

Наружные стены и покрытия

Одним из основных широко используемых направлений повышения энергоэффекгивности зданий является повышение теплозащитных качеств ограждающих конструкций путем введения повышенных требований к их сопротивлению теплопередаче (R_T, м² • °С/Вт).

Сопротивление теплопередаче — величина, обратная коэффициенту теплопередачи, определяющему интенсивность переноса теплоты через ограждающую конструкцию, разделяющую воздушные объемы наружного и внутреннего воздуха в стационарном тепловом режиме

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² • °С); а_в — коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности ограждения, Вт/(м² • °С); 8,- — толщины /-го слоя, м; А,- — коэффициенты теплопроводности материалов /-го слоя, Вт/(м • °С); ос_н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения к наружному воздуху, Вт/(м² • °С).

Значение сопротивления теплопередаче R_T = 1/К или коэффициента теплопередачи необходимо для расчета теплопотерь и тепло- поступлений через ограждающие конструкции помещений здания, выполняемого по формуле

где Q, — мощность теплового потока через ограждение, Вт; Fj — площадь ограждения, м²; /_в — расчетная температура воздуха в помещении, °С; /_н — расчетная температура воздуха снаружи ограждения, °С; щ — коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху; р, — коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери через ограждение.

Из формулы (8.1) следует, что коэффициент теплопередачи или сопротивление теплопередаче относится ко всей рассчитываемой ограждающей конструкции.

Современные ограждения практически всегда являются неоднородными, имеют ребра жесткости, бетонные вставки, металлические связи и крепления, т.е. теплопроводные включения, влияющие на перенос теплоты. Наличие повышенных стоков теплоты увеличивает суммарные теплопотери зданий на 10...25 %.

Снижение сопротивления теплопередаче наружных ограждений из-за теплопроводных включений оказывает влияние на потребление энергоресурсов для теплоснабжения здания. Поэтому оценку теплозащитных качеств ограждающих конструкций и расчет теп- лопотерь помещений необходимо выполнять с учетом всех теплопроводных включений, т.е. по приведенному сопротивлению теплопередаче.

Приведенным называют сопротивление теплопередаче такого условного ограждения с одномерным температурным полем, потери теплоты через которое при равных площадях равны теплопо- терям реального ограждения с теплопроводными включениями.

Определяют приведенное сопротивление теплопередаче ограждения с учетом участков с теплопроводными включениями по выражению

где R_T — сопротивление теплопередаче ограждения вдали от теплопроводных включений при одномерном температурном поле, м² • °С/Вт; г — коэффициент теплотехнической однородности ограждения.

Значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и методики их расчета принимаются в соответствии с действующими нормативными документами: в России — по СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий», в Республике Беларусь — по ТКП 45-2.04-43—2006 «Строительная теплотехника».

При проектировании и строительстве экспериментальных и энергоэффективных зданий значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждений при обосновании может быть принято выше нормативных значений или отличаться от них.

Например, для экспериментального крупнопанельного жилого дома, построенного в Москве в микрорайоне «Никулино-2», приняты следующие расчетные значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций: стены — 3,28 м² ? °С/Вт, покрытия — 4,39, окна — 0,60 м² • °С/Вт.

В Республике Беларусь в основу экспериментального эффективного здания принят типовой проект панельного жилого дома серии 111—90 с «теплым» чердаком. Для него приняты следующие расчетные значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций: оконные заполнения — 1,2 м² • °С/Вт; стеновые панели — 4,0 м² ? °С/Вт (среднее значение).

По данным, приведенным в [10], многоэтажное энергоэффективное жилое здание в Нью-Йорке имеет следующие значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций: оконные заполнения — 0,43 м² • °С/Вт, наружные стены — 1,49, покрытия — 4,0 м² • °С/Вт.

При решении задач экономии теплоты с учетом энергоэффективности систем инженерного оборудования зданий целесообразно повышение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен до Rj^P ~ 3,0 м² • °С/Вт. Это связано с тем, что увеличение толщины утеплителя вызовет конструктивные изменения всех узлов стены, в результате чего интенсифицируется перенос теплоты через теплопроводные включения. Данный вывод подтверждают результаты исследований теплопотерь через 1 м² ограждающей конструкции в зависимости от приведенного сопротивления теплопередаче, полученные проф. В.Г. Гагариным для климатических условий Москвы.

Различие в теплопотерях через ограждающую конструкцию при значениях приведенного сопротивления теплопередаче Л_т^пр >3,0 м² • °С/Вт небольшое (рис. 8.1), поэтому на удельный расход тепловой энергии для отопления здания изменение приведенного сопротивления теплопередаче стен в указанных пределах сказывается незначительно.

Характер зависимости, приведенной на рис. 8.1, показывает, что чем выше достигнутый уровень теплозащиты, тем меньший эффект дает дальнейшее его повышение.

Современные энергоэффективные здания проектируются с надежной теплоизоляцией на основе использования новых технологий и применения эффективных теплоизоляционных материалов. В основном они многослойные с утеплителем, коэффициент теплопроводности которого не выше 0,08...0,09 Вт/(м • °С).

Рис. 8.1. График зависимости теплопотерь через 1 м² ограждающей конструкции от приведенного сопротивления теплопередаче для климатических условий Москвы

Теплоизоляцию зданий можно выполнять с наружной либо внутренней стороны, а также разместив ее внутри ограждений.

Внутри ограждающих конструкций теплоизоляцию размещают в покрытиях над верхними этажами, перекрытиях над подвалами, техническими подпольями и проездами, в трехслойных панелях наружных стен, в колодцевой кладке кирпичных стен и т.д.

Для зданий с монолитным или сборным каркасом используются навесные стеновые конструкции с эффективным утеплением либо из блоков ячеистого теплоизоляционного бетона.

На новом техническом уровне формируется технология использования для наружных стен таких строительных материалов, как эффективные блоки из керамзитобетона (плотность р = 600 кг/м³), эффективного кирпича, блоков из поризованной керамики (р = 900 кг/м³) и др.

При выборе способа утепления ограждений предпочтение следует отдать наружной теплоизоляции, которая защищает ограждение от попеременного замерзания и оттаивания и других атмосферных воздействий, выравнивает температурные колебания основного массива, сдвигает точку росы к их внешней поверхности, улучшает архитектурный облик зданий. Преимуществом наружной теплоизоляции является также увеличение теплоаккумулирующей способности массивной части ограждений. Например, при отключении системы отопления здания кирпичные стены с наружной теплоизоляцией остывают в несколько раз медленнее, чем стены с внутренней теплоизоляцией при одной и той же толщине слоя утеплителя.

При размещении теплоизоляции с внутренней стороны ограждений возможно нарушение их влажностного режима вследствие приближения зоны конденсации водяного пара, диффундирующего через конструкцию, к внутренней поверхности и, как следствие, к их увлажнению. Ограждения с теплоизоляцией на внутренней поверхности надежно эксплуатируются в том случае, когда на теплой стороне слоя утеплителя уложен качественный паронепроницаемый материал, препятствующий проникновению пара внутрь этого слоя и образованию конденсата.

Для выполнения наружной теплоизоляции стен используются как «мокрые», так и «сухие» технологии утепления. Наиболее распространены «мокрые» способы теплозащиты с укрытием утеплителя легким (тонким) и тяжелым штукатурными слоями (рис. 8.2) и навесные системы с вентилируемой воздушной прослойкой (рис. 8.3).

В легких штукатурных системах слой эффективного теплоизоляционного материала (пенополистирольные, пенополиуретановые

Рис. 8.2. Схема утепления наружной стены с тонким штукатурным слоем: 1 — штукатурка; 2 — кирпичная кладка; 3 — клеевой состав; 4 — теплоизоляция; 5 — выравнивающий клеевой состав; 6 — дюбель; 7 — армирующая сетка; 8 — грунтовка; 9 — декоративная штукатурка

Рис. 8.3. Схема теплоизоляции наружных стен с различным расположением вентилируемой воздушной прослойки: а — с наружной стороны стены; б— с внутренней стороны стены; 1 — экран; 2 — воздушная прослойка; 3 — слой теплоизоляции; 4 — наружная стена

или минераловатные плиты) крепится к основной стене на клею и дополнительно дюбелями. Клей наносится на поверхность теплоизоляционных плит точечно, полосами или комбинированно, но в любом случае между поверхностью стены и плитой образуется воздушная прослойка толщиной 3...8 мм. Для увеличения стойкости и долговечности теплоизоляционный слой защищается клеевым составом, армированным щелочестойкой стеклосеткой, и укрывается декоративной штукатуркой на полимерной основе.

При использовании для армирования металлической сетки и укрытии слоя теплоизоляции минеральными штукатурками систему утепления называют тяжелой.

Особенностью «мокрых» систем теплоизоляции является необходимость применения безопасных, долговечных и совместимых материалов, исключающих частичное либо полное растрескивание или разрушение теплоизоляционных слоев фасадов зданий.

Теплозащитные качества «мокрых» систем утепления зависят от количества теплопроводных включений и фильтрации воздуха в воздушных прослойках между теплоизоляционным слоем и стеной и в самой теплоизоляции, что снижает сопротивление теплопередаче конструкции.

Отличительная особенность «сухих» способов устройства наружной теплоизоляции стен — наличие защитных экранов на относе (5 = 20... 100 мм) от слоя теплоизоляции и образование воздушной прослойки, вентилируемой наружным воздухом.

Размеры и конструкции экранов в разных системах различаются. Они могут быть сплошными, выполненными из гладких или профилированных листов, иметь входные или выходные отверстия в нижнем либо верхнем участке стен или состоять из отдельных элементов (панелей), между которыми предусмотрены открытые швы для поступления и выхода воздуха.

Экран крепится на подоблицовочной конструкции, состоящей из закрепленных на стене несущих кронштейнов и смонтированных на них направляющих реек. Между направляющими рейками размещается теплоизоляция — минераловатные плиты плотностью р > 80 кг/м³.

Навесной экран защищает слой теплоизоляции и наружную стену от внешних атмосферных воздействий в зимний период, способствует сушке стен и предохраняет материал теплоизоляции от воздействия прямого солнечного облучения, т.е. от интенсивного старения, придает зданиям архитектурную привлекательность.

Выполнение теплоизоляции наружных стен с экраном и воздушной прослойкой, называемых вентилируемыми фасадами, вызвано в первую очередь борьбой с накоплением влаги в многослойной конструкции стены. Накопление сверхсорбционной (свободной) влаги приводит к значительному ухудшению теплотехнических показателей наружных стен, увеличению теплопотерь, а в некоторых случаях — к нарушению санитарно-гигиенических условий в помещениях.

Теплотехнический расчет наружных стен с вентилируемым фасадом должен быть выполнен с учетом наличия большого количества теплопроводных металлических включений, пронизывающих слой теплоизоляции. Включения созданы элементами подоблицовочной конструкции, изготовленной из металла, и элементами крепления теплоизоляции, имеющими металлические сердечники.

При теплоизоляции наружных стен эксплуатируемых зданий наиболее дешевым является способ утепления с укрытием изоляции легкими или тяжелыми штукатурными системами. При облицовке кирпичом стоимость утепления возрастает на 30...40 %, а при выполнении вентилируемого фасада — в 1,9—2,0 раза. Во вновь построенных зданиях единовременные затраты на теплоизоляцию ограждающих конструкций окупаются в течение 9—10 лет.