Эффективные энергосберегающие стеновые панели Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

9. Шабунин Е. Храмы Тогучинского района // Живоносный источник. -2015. - № 2 (10). - С. 28-29.

УДК 696/697

ЭФФЕКТИВНЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СТЕНОВЫЕ ПАНЕЛИ

Семикин П.В.

Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств Должиков В.Н.

Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств

Аннотация. В настоящей статье приводится обзор характеристик эффективных энергосберегающих панельных стеновых конструкций, рекомендуемых для применения в городах Сибири. Приведены результаты расчетов, показывающих приемлемость проектирования зданий с применением таких панелей в условиях Сибири. Рекомендуемые для применения конструкции стеновых ограждений имеют много положительных характеристик и могут занять свою нишу наряду с уже разработанными стеновыми конструкциями.

Ключевые слова: энергосбережение, энергоэффективность, ограждающие конструкции, сопротивление теплопередаче, изотермы, тепловая защита зданий, конденсат, утепленные панели, перфорация.

1. Влияние энергосбережения на конструкции стен зданий. Растущие потребности в энергии и сокращение невозобновляемых источников энергии потребовали от мирового сообщества принятия мер по энергосбережению и энергетической эффективности жизнедеятельности во всем мире, в том числе и за счет снижения энергопотребления зданий. Первые шаги в этом направлении были сделаны введением ограничения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций [1]. Нормами того времени устанавливались предельные значения сопротивления теплопередаче для наружных ограждающих конструкций с учетом средних температур и продолжительности отопительного периода. Одновременно совместить прочностные и теплозащитные свойства в одном материале не представляется возможным, так как конструкционные материалы, как правило, имеют большую плотность и обладают высокой теплопроводностью, а материалы с хорошими теплозащитными свойствами и малой плотностью не применимы для несущих конструкций. Поэтому применяют сложные многослойные ограждающие конструкции, в которых прочностные и теплозащитные функции разделены по слоям.

Перед началом применения мероприятий по энергосбережению в нашей стране строились здания, представляющие собой либо целиком каменные конструкции, либо железобетонные панельные здания, для которых требовался большой расход утеплителя. В связи с высокой стоимостью самого утеплителя и работ по его монтажу, а также достаточно продолжительным сроком его окупаемости применение этих нормативов для всего комплекса построенных зданий не представлялось возможным и распространялось только на новое строительство или реконструируемые здания. Здания, построенные по нормам [1], первоначально были большей частью затратными. Энергоэффективными они становились только спустя 18-20 лет после полной окупаемости произведенных дополнительных затрат по утеплению.

Следующим шагом было введение дополнительных ограничений на средний расход тепловой энергии на отопление зданий и ограничения по температуре на внутренних поверхностях наружных ограждений [2; 3]. С введением этих норм наибольшие сложности возникали при выборе конструкций стен из-за большого количества теплопроводных включений в виде плит перекрытий, оконных перемычек и других узлов здания с сопротивлением теплопередаче более высоким, чем основной конструкционный материал стен. Поэтому для выполнения требований по энергосбережению и санитарно-гигиенических условий вводились три показателя:

«а» - приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания;

«б» - значение температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой на внутренней поверхности ограждающих конструкций, поверхностью здания;

«в» - значение удельной тепловой энергии на отопление здания. Это позволяло проектировщикам принимать приведенное сопротивление теплопередаче непрозрачной части стен ниже требуемых значений и компенсировать повышенным сопротивлением теплопередаче других элементов ограждающих конструкций.

С выпуском новых норм по тепловой защите зданий [4] требования по энергетической эффективности зданий значительно возросли - требуется выполнение всех трех пунктов «а», «б» и «в» одновременно, что вносит значительные сложности в процесс проектирования. Особенно это касается конструкций отдельных узлов сопряжения стен с плитами перекрытий, металлического или железобетонного каркаса здания и сопряжения балконных плит со стенами здания. Теплопроводные включения в этих узлах значительно снижают сопротивление теплопередаче, поэтому для них требуется дополнительное утепление. Введение новых норм существенно сказалось на конструкциях стен зданий в связи с добавлением утепляющего слоя.

Наибольшее распространение в последнее время получили каркасные здания с навесными фасадами. Применение таких ограждающих конструкций

обусловлено в основном скоростью их возведения и меньшей нагрузкой на основание здания за счет минимальной толщины стен, что дает дополнительные преимущества при возведении зданий большой этажности. Наружная многослойная стена образуется за счет заполнения каркаса достаточно тонким слоем стенового материала с последующим монтажом утеплителя и наружной отделки. В качестве несущего слоя применяют керамический кирпич, газобетонные блоки и другие материалы, что позволяет возводить стены достаточно однородными по всей высоте здания с одинаковым слоем утеплителя. Строительство таких зданий можно выполнять из элементов каркаса, изготовленных в заводских условиях, а стеновое заполнение производить непосредственно на строительной площадке при любых погодных условиях. Это значительно сокращает сроки возведения каркаса здания, но создание многослойной стены требует дополнительного времени по сравнению, например, с монтажом сборных железобетонных панелей. Кроме того, такие здания имеют большой объем теплопроводных включений в виде колонн и ригелей из металла или железобетона. Для отдельных узлов несущих конструкций требуется разработка способов дополнительного утепления, что непременно сказывается на внешнем облике здания и часто изменяет первоначальный замысел архитекторов.

В качестве альтернативы могут выступать сборные здания из панелей, которые представляют собой каркас из тонколистовых профилей с заполнением утеплителем - разновидные по конструктивному решению сэндвич-панели. В отличие от железобетонных панелей такие панели имеют незначительный вес, а следовательно, не создают больших нагрузок на каркас здания, что позволяет возводить здания большой этажности (до 75 м), снижая массивность фундаментов. Каркас здания при этом будет также менее массивным и более легким, сохраняя при этом достаточную прочность, что позволяет применять такие конструкции здания в районах России с высокой сейсмичностью (сейсмоустойчивость до 9 баллов по шкале Рихтера).

При малоэтажном строительстве (до 3 этажей включительно) здания возможно возводить и без каркаса, так как несущая способность самих панелей обеспечивает достаточную прочность платформенных стыков и узлов соединения панелей. Применение сэндвич-панелей позволяет возводить здания в кратчайшие сроки, особенно в случаях восстановления жилого фонда после природных катастроф.

Еще одно применение таких панелей - временные здания для работников добывающих отраслей - нефтяные и газовые месторождения, различные рудники. Как правило, промысловики сейчас работают вахтовым методом и для временного проживания требуется выполнение только санитарно-гигиенических норм.

2. Конструкция стеновых каркасных панелей. Каркас современных панелей конструируют из тонколистовых профилей в виде швеллеров (ил. 1). В

качестве утеплителя рекомендуется применять минеральную вату. Толщина утеплителя и всей панели зависит от региона Российской Федерации. С наружной стороны панели облицованы фиброцементными плитами с декоративным покрытием. Внутренняя поверхность образована слоями из гипсоволоконных плит. Для защиты от проникновения холодного наружного воздуха между наружной облицовкой и утеплителем используют ветрозащитную пленку. Для сравнения приведены характеристики стен из различных материалов для одинаковых условий монтажа, района строительства, одинаковых теплозащитных свойств (табл. 1). Преимущества применения панелей позволило сократить сроки возведения наружных стен в 23 раза и снизить затраты на отопительную систему здания, либо затраты на его отопление на 8-10%. Важным достоинством панелей является малый вес (до 500 Н на 1 м2). При их использовании снижается нагрузка на фундамент здания и на стены, что позволяет использовать легкие конструкции фундаментов и самонесущую способность зданий без каркаса при нагрузке до 40 МПа.

Таблица 1

Сравнение технических показателей каркасной панели с другими

Каркасная

Технические Кирпич Пеноблок Газоблок панель с

показатели М150 D500 D500 минеральной ватой

Толщина стены с утеплителем, мм 400 400 400 235

Затраты на 1 м2, чел/час 6,5 3,7 3,8 1,5

Скорость

монтажа 100 м2 12 10 10 2,5-3

стены, дни

Вес 1 м2 стены, Н 4 200 1 250 1 350 500

Ил. 1. Конструкция стеновой каркасной панели: 1 - направляющий профиль; 2 - стоечный профиль; 3 - наружная обшивка из фиброцементных плит; 4 - ветрозащитная пленка; 5 - утеплитель из минеральной ваты; 6 -парозащитная пленка; 7 - внутренняя обшивка листами из гипсоволокна; 8 -

шурупы-саморезы

3. Теплотехнические характеристики каркасных панелей. Наиболее важной характеристикой, выражающей теплозащитные свойства наружных ограждающих конструкций здания, является его приведенное сопротивление теплопередаче. Так как сопротивление теплопередаче стен является локальной характеристикой и зависит от теплопроводных включений, входящих в состав отдельных узлов ограждающих конструкций, то для стен и перекрытий здания определяют приведенное сопротивление теплопередаче, усредняющее сопротивления теплопередаче в различных областях отдельной ограждающей конструкции. В новых нормах расчетное значение приведенного сопротивления теплопередаче требуется определять по температурным полям, полученным расчетным путем с учетом трехмерности теплового потока.

Второй характеристикой теплозащитных свойств наружных ограждений здания является перепад температур между температурой внутреннего воздуха

и температурой на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции. Этот параметр введен для выполнения второго условия комфортности, который не допускает перегрева или переохлаждения организма при нахождении человека рядом со стенами и для предотвращения образования конденсата на внутренних поверхностях ограждений.

Описанные характеристики входят в состав критериев энергетической эффективности здания. В качестве примера рассмотрим результаты расчета приведенного сопротивления теплопередаче десятиэтажного здания, проектируемого в г. Новосибирске. По проекту здание имеет десять этажей и представляет собой каркас с металлическими колоннами, соединенными между собой монолитными плитами. Стены здания выполнены из каркасных панелей, закрепленных на каркасе соединительными элементами. Так как каждая панель представляет собой каркас из тонколистовых профилей, то для снижения теплового потока, проходящего по профилю, полки профиля имеют перфорацию. Эффективность использования перфорированного профиля была проверена расчетом. Результаты расчета температурных полей показаны на моделях панелей с профилем без перфорации (ил. 2) и с профилем при наличии перфорации (ил. 3, 4). Поле температур показано в виде изотерм. Справа на рисунках приводится цветовая температурная шкала.

При применении профиля без перфорации температура вблизи с короткими полками профиля в виде швеллера имеет значения от 9,5 до 10,8°С (см. ил. 2), а при наличии перфорации имеет значения от 16,7 до 17,2 °С (см. ил. 3). Это объясняет необходимость использования перфорации в профилях, образующих каркас панелей.

I ДпЫ А ™ Дп I Дг I АгвГ

Ил. 2. Распределение температур в панели при поперечном сечении по

профилю без перфорации

Ил. 3. Распределение температур в панели при поперечном сечении по профилю при наличии перфорации

Ил. 4. Распределение температур в панели при продольном сечении по большой полке профиля при наличии перфорации

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций определяют на основании представления тепловой оболочки здания в виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет в определенной мере на тепловые потери здания. Для расчета вся стеновая конструкция была представлена в виде набора плоских, линейных и точечных элементов. Удельные тепловые потери, обусловленные каждым элементом, находились на основе сравнения потока теплоты через узел, содержащий элемент, и через тот же узел, но без исследуемого элемента. Влияние каждого элемента учитывалось расчетом узлов ограждения, содержащих этот элемент с определенными размерами. В результате для проектируемого здания из панелей толщиной 200 мм приведенное сопротивление составило 4,7 м2 °С/Вт, что больше требуемого значения, равного 3,65 м2 °С/Вт.

Соответствие приведенного сопротивления теплопередаче нормативным требуемым значениям еще недостаточно для оценки теплозащитных свойств ограждающей конструкции. Даже при значениях сопротивления теплопередаче стен выше нормативных значений в отдельных узлах сопротивление теплопередаче может оказаться меньше нормативных значений, что приведет к снижению температуры на внутренней поверхности наружных ограждений и появлению конденсата, если эти температуры будут равны или ниже температуры точки росы. Поэтому дополнительно необходимо проверить все узлы, в которых можно ожидать снижение температур на внутренней поверхности ограждений. К таким узлам относят узлы примыкания или внедрения плит перекрытий в стеновые конструкции. В проектируемом здании плиты перекрытий были совмещены с ригелями между колоннами и представляли собой одну конструкцию, усиленную дополнительной арматурой. Кроме того, торцы плит хотя и не были внедрены в стены, но плотно примыкали к ним.

Действующими нормативными документами по проектированию тепловой защиты зданий регламентируются параметры, отвечающие за создание нормативного микроклимата в помещениях зданий по санитарно-гигиеническим требованиям и по требованиям энергосбережения: сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, удельный тепловой поток из здания и нормативный перепад температур меду температурой внутренней поверхности наружных ограждений и температурой внутреннего воздуха. Расчетное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций должно быть не менее требуемых значений с учетом различных теплопроводных включений.

Однако при выполнении всех этих требований в здании имеются сложные по конструкции узлы, в которых указанные требования невозможно учесть в общей методике, предлагаемой в нормативных документах, так как температурные поля в них имеют трехмерный характер. В этих узлах возможно снижение температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций

ниже расчетных значений и достижение температуры точки росы, появление конденсата на внутренней поверхности ограждений, а в некоторых случаях даже образование наледи. Это касается узлов, в которых происходит сопряжение наружных стен с плитами перекрытий, колонн, ригелей и откосов окон и балконных дверей. Не менее важно проверять узлы переходов плит перекрытий в балконные плиты, в которых применяют разного рода элементы локальной тепловой защиты.

Цель проведения расчетов отдельных узлов заключается в расчете трехмерных полей температуры для узлов, в которых есть опасность снижения температуры до значений, при которых на внутренних поверхностях может появиться конденсат. Проверка проблемных узлов производилась расчетом и построением трехмерных температурных полей в этих узлах. Результаты одного из таких расчетов показаны на рисунке для участка боковой поверхности плиты, заменяющей ригель между колоннами (ил. 5).

'эиви(«41И ^ а ■ % _^■му-цу'_

ь й ■ ъ • а

а, . ш ВДм 4ПЙ1И «■¿т

* Ьеаи.. ццЬ,: эд тда.. Сгтоа

Ил. 5. Локальные температуры в углу, образованном примыканием плиты перекрытия к стене

Ил. 6. Температурное поле в углу стен с указанием температур в точках внутренней поверхности

Температуры в отдельных точках угла примыкания торца плиты к стене выше температуры точки росы. Традиционно проверяются углы здания на возможность образования конденсата на внутренних поверхностях стен. Результаты расчета узла - угла здания с колонной и плитой перекрытия показаны на рисунке в виде изотерм с указанием температур в точках, где можно ожидать появления конденсата (ил. 6). Как показывают расчеты, температура во всех точках устанавливается выше температуры точки росы.

Наибольшие проблемы при конструировании узлов здания вызывает узел сопряжения балконной плиты со стеновыми конструкциями. В данном проекте конструкторами было принято решение балконную плиту расположить на консольных балках, закрепленных на сварке к металлической колонне каркаса здания (ил. 7).

ЗЬ^ш» ЭДН

ТЬапй^ГЧГГИ!

Ил. 7. Температуры в углу примыкания перекрытия, колонны и консольной балконной балки

Следует отметить, что данный узел прорабатывался несколько раз до получе-ния приемлемого результата. Основные проблемы возникли из-за массивных металлических элементов крепления консольной балки к колонне. В результате было получено решение, при котором во всех точках на внутренней поверхности этого узла температуры установились выше температуры точки росы.

Заключение. Компьютерное 3D-моделирование распределения температур в сложных соединениях ограждающих конструкций зданий позволяет легко добиться необходимого по энергоэффективности результата в короткий период времени и без больших капитальных вложений. Применение навесных стеновых каркасных панелей с перфорированными несущими элементами для зданий различного назначения возможно в условиях Сибири.

Библиографический список

1. СНиП П-3-79*. Строительная теплотехника. Утверждены постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 14.03.1979 г. № 28.

2. CНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. Приняты и введены в действие постановлением Госстроя России от 26.06.2003 г. №113.

3. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. Утвержден и введен в действиес 1 июня 2004 г. совместным приказом ОАО «ЦНИИпромзданий» и ФГУП ЦНС от 23.04.2004г.№ 01.

4. СП 50.13330.2012.Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. Утвержден приказом Минрегиона России от 30.06.2012г. №265.

УДК 72

О ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПЛАНИРОВЩИКОВ В УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ СИБИРИ В НАЧАЛЕ XX ВЕКА (к проблеме традиций в архитектурно-градостроительном образовании)

Слабуха А.В.

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Аннотация. В контексте актуализации проблемы соотношения традиционных и цифровых технологий в архитектурно-градостроительном образовании в статье обращено внимание на опыт преподавания графических дисциплин 100 лет назад. Представлено изложение структуры содержания учебных дисциплин, ориентированных на приобретение графических навыков и знаний учащимися землемерных школ в Сибири на примере структуры учебных программ и содержания курсов графических дисциплин для землеустроительных специальностей в одном из специальных учебных заведений прошлого Сибири, Енисейской губернии - в Красноярском губернском землемерном училище. Отражена роль и место графических дисциплин в процессе подготовки дипломированных кадров, специалистов в области градостроительной планировочной деятельности. Сделан вывод о роли традиционных методов графической подготовки студентов в развитии их творческих способностей, профессиональных инженерных навыков. Исследование построено на архивных источниках.

Ключевые слова: история инженерного образования Сибири, архитектурное образование, преподавание начертательной геометрии, история преподавания черчения, землемерные школы Сибири, Красноярское землемерное училище, Сибирь.