Эффективные материалы и конструкции для решения проблемы энергосбережения зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

------ЖИЛИЩНОЕ ' —

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 697.133

А.Н. ДАВИДЮК, канд. техн. наук ([email protected]), генеральный директор ОАО «КТБЖБ» (Москва); Г.В. НЕСВЕТАЕВ, д-р техн. наук, Ростовский государственный строительный университет

Эффективные материалы и конструкции для решения проблемы энергосбережения зданий

Предложена методика определения требуемого термического сопротивления ограждающих конструкций с учетом обеспечения нормативных требований по энергосбережению. Показана эффективность применения в качестве ограждающих конструкций легкобетонных наружных стеновых панелей с термовкладышами из эффективного утеплителя, которые по теплофизическим параметрам соответствуют известным традиционным ограждающим конструкциям. Обоснована целесообразность применения неорганических утеплителей и сформулированы предложения по нормированию свойств эффективных, конструкционно-теплоизоляционных бетонов на пеностеклогранулятах.

Ключевые слова: энергосбережение, теплопотери, термическое сопротивление, сопротивление паропро-ницанию, ограждающие конструкции.

Начиная с 2000 г. в проект каждого строящегося здания должен включаться раздел «Энергоэффективность». До принятия новых нормативов теплозащиты зданий расходы на отопление в России составляли до 55 кг у. т. в год на 1 м2 помещения, тогда как в Германии - 34, Швеции и Финляндии -18 [1]. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» регламентирует нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление в зависимости от этажности от 70 до 85 кДж/(м2-0С-сут) (12 этажей и выше), что соответствует для Москвы примерно 12-14,6 кг у. т. в год на 1 м2, или мощности теплопотребления от 0,81 до 0,98 Вт/(м2-0С). По данным [2], к 1999 г. в московском панельном домостроении, составляющем на тот период около 90% всего жилищного строитель-

ства в Москве, благодаря применению трехслойных панелей (НСП) с более эффективным утеплителем достигнуто приведенное сопротивление теплопередаче стен от 2,2 до 2,4 м2 0С/Вт. По мнению авторов, для обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче стен не менее 3,15 м2 0С/Вт необходимо увеличение толщины утеплителя, что связано с заменой всего парка форм на ДСК и влечет значительные материальные затраты. При этом увеличение термического сопротивления ограждающих конструкций не является самоцелью, поскольку повышение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен с 2,2 до 3,15 м2°С/Вт (на 43%) при уже достигнутом на тот период приведенном сопротивлении теплопередаче окон и балконных дверей 0,55 м2 0С/Вт

Таблица 1

Материал стены Сопротивление теплопередаче, (м2-оС)/Вт, и величина градусо-суток при трехслойной конструкции стены с теплоизоляцией посредине

конструкционный теплоизоляционный

Рекомендации СП 23-101-2004

Железобетон (гибкие связи, шпонки) Пенополистирол 3,75/6850

Минеральная вата 3,4/5700

Керамзитобетон (гибкие связи, шпонки) Пенополистирол 4,0/7300

Минеральная вата 3,6/6300

Возможные технические решения

Железобетон, гибкие связи, общая толщина панели 400 мм = 0,032 - 0,05 Вт/(м -°С) R = 4,85 - 7,43 м2-оС/Вт D = 3,33 - 4,12 Rц = 5,11 - 10,27 м2-ч-Па/мг Р = 290-440 кг/м2

Легкий бетон плотностью 800, ребра = 0,032 - 0,05 Вт/(м -оС) R = 3,97-5,78 м2-оС/Вт D > 5 Rц< 5 м2-ч-Па/мг Р = 230-250 кг/м2

Примечание. Я - сопротивление теплопередаче плоскости панели; D - массивность панели; Яц - сопротивление паропроницанию; Р - поверхностная плотность; - коэффициент теплопроводности утеплителя.

щи

I

Расчет конструкций

Таблица 2

Материал стены Толщина, м R0, м2-°С/Вт R|l, м2-ч-Па/мг D

Древесина 0,28-0,4 1,6-2,4 3,8-5,3 6,2-8,1

Газобетон автоклавный 0,4-0,45 1,6-2,4 1,7-2,6 6-6,8

Кирпич керамический пустотный 0,51-0,64 0,9-1,2 3,6-4,6 7,6-10,2

приводит к сокращению потребления тепла на отопление всего на 12-14% [2].

Замена парка форм как возможное решение проблемы имеет альтернативу - применение более эффективных современных материалов для производства НСП, позволяющих получить требуемый уровень свойств при использовании имеющегося парка форм.

Согласно [1] через стены происходит примерно 45% теп-лопотерь, через светопрозрачные ограждения - 33%. По данным [2], в структуре теплопотерь московского жилого здания доля наружных стен составляет 29-30%; светопро-зрачных наружных ограждений - 25-26%; пола первого этажа и перекрытия последнего этажа - 5-6%; остальные 38-40% расходуются на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме, необходимом для вентиляции по санитарным нормам. Таким образом, для рядового помещения теплопотери через светопрозрачное наружное ограждение и стены примерно одинаковы при условии, что приведенное сопротивление теплопередаче окон и балконных дверей составляет не менее 0,55 м2 0С/Вт (согласно СНиП 23-02-2003 приведенное сопротивление теплопередаче окон должно составлять 0,56 м2 0С/Вт при градусо-сут-ках от 3500 до 5200). На самом деле распределение тепло-потерь через ограждения существенно зависит от вида помещения и термического сопротивления стены и свето-прозрачного ограждения. Теплопотери через стену могут изменяться в диапазоне от 20 до 80%.

Как уже отмечалось, установлен нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление зданий, который для условий Москвы соответствует значениям удельной мощности теплопотерь в зависимости от этажности здания д = 0,81-0,98 Вт/м2 0С. Тогда предельная допустимая мощность теплопотерь для рядовой комнаты может быть определена как:

20 = я • бп,

где бп - площадь пола, м2.

(1)

Как уже отмечалось [2], 38-40% теплопотерь составляет расход тепла на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме. Тогда 60% теплопотерь в нашем случае будет приходиться на теплопотери через ограждающие конструкции, или:

0,6дбп = яобо + Ясбс,

(2)

где бо = (0,125...0,185) • бп - площадь окна, м2; бс = квп = (0,3...0,4) • бп - площадь стены рядового помещения, м2.

После несложных преобразований получим выражение для определения требуемого термического сопротивления стены, при котором будут обеспечены нормативные тепло-потери в виде:

к

о =_

с 0,6я - (0,12...1,185)яо

(3)

откуда при приведенном термическом сопротивлении окна Яо = 0,55 м2-°С/Вт, я0 = 1,8 Вт/(м2-°С), получим в зависимости от геометрических параметров помещения и окна, значение Яс от 1,14 до 2,72 м2 0С/Вт, что ниже установленных нормативных требований 3,15-3,31 м20С/Вт. В любом случае приведенное термическое сопротивление ограждающей конструкции не должно быть меньше значения, определяемого по условию допустимого перепада температур:

о = п - Техт) геЯ~ М а

Шпи.,п1

(4)

где: п - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху (для стен п = 1); Мп - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности тп( ограждающей конструкции, 0С (для стен жилых зданий 40С); ап - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, 8,7 Вт/(м2 0С); -расчетная средняя температура внутреннего воздуха зда-

Таблица 3

Материал Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м -°С)

Минеральная вата 75-125 0,042-0,047

Стекловата 130 0,05

Вата из супертонкого стекловолокна 17-25 0,027-0,037

Пеностекло 150-250 0,058-0,12

Базальтовое волокно 130 0,035

Вспученный перлит 75-100 0,04-0,05

Вспученный вермикулит 100-120 0,075

15-40 0,028-0,035

Стеклопор 40-80 0,032-0,04

80-120 0,038-0,05

щи

л

Таблица 4

Бетон Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/(м -оС)

Перлитобетон 0,5-5 300-700 0,096-0,23

Обсидианоперлитобетон 0,8-1 550-600 0,2-0,22

Арболит 1,5-3,5 500-600 0,096-0,12

Полистиролбетон 0,5-2,5 150-600 0,055-0,145

Полистиролгазобетон 1,5-2,6 400-500 0,06-0,063

Пенополистиролбетон 0,75-2,5 400-500 0,14-0,155

Ячеистый автоклавный 1-7,5 400-800 0,13-0,21

Крупнопористый 0,5-1,5 500-700 0,137-0,177

Керамзитобетон 3-6 650-800 0,16-0,21

Аэрированный легкий 3,5-5 800-900 0,2-0,25

Капсимет 3 500 0,13

Азеритобетон 5 800 0,2

Диалитобетон 3,5 800 0,19

ния (220С); 1е1Л - расчетная температура наружного воздуха в холодный период года (-280С).

Причем в этом случае целесообразно рассматривать приведенное термическое сопротивление с учетом свето-прозрачного включения. Для условий Москвы в этом случае ориентировочно Яс > 2 м2 0С/Вт. Эта граница также существенно ниже современных нормативных требований. В последнее время периодически поднимается вопрос о за-вышенности нормативных требований по термическому сопротивлению стен. Например, в ТСН 23-340-2003 «Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий» (Санкт-Петербург) установлены минимальные требования для жилых зданий: Яс > 1,76 м2 0С/Вт. Но для торцевых помещений величина к в формуле (3) может быть больше 1, в этом случае из формулы следует, что для условий Москвы значение Яс > 4,2-7. Выполнение такого условия при использовании действующего парка форм может быть весьма проблематичным, поэтому, учитывая повышенные теплопотери торцевыми помещениями, помещениями первого и последнего этажей, необходимо компенсировать их за счет рядовых помещений так, чтобы в соответствии с

¡Е 0,08

о

о

Ц 0,075

0

а

0,07

1 5 0,065

ф

!" >

0,06 0,055 0,05 0,045 0,04

Ё® ® „■-

5 Р

■Ч___

- 2

- 1 3

- 1

- 4 \ 6 Г

- 5 V,

- | ! | 1X

0,1

0,15 0,2 0,25

Общая толщина бетона, м

0,3

требованиями норм в среднем по зданию выполнялись нормативные требования по теплопотерям. Учитывая этот факт, в первом приближении целесообразно принимать требуемое термическое сопротивление стен в соответствии с требованиями норм, тем более что это технически возможно.

Рекомендуемые СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» типы технических решений наружных стен, уровни их теплозащиты для условий Москвы -Ятр = 3,15-3,31 (м20С)/Вт (5027-5681 градусо-суток в зависимости от назначения здания), а также возможные варианты наружных стеновых панелей и их характеристики представлены в табл. 1.

Как правило, при сравнении технических решений НСП в первую очередь учитывается термическое сопротивление, но НСП помимо термического сопротивления должна характеризоваться такими показателями, как: • сопротивление паропроницанию Яц < 5, что обеспечивает нормальный влажностный режим помещения (п. 13.8 СП 23-101). Здесь уместно вспомнить еще одно золотое правило: сопротивление конструкции паропро-ницанию по мере движения водяного пара должно снижаться, то есть.:

Яц,в > Яц,У > Яц,вн,

(5)

где Яц,в, Яц,у, Яц,вн - соответственно сопротивление па-ропроницанию внутреннего слоя бетона, утеплителя, внешнего слоя бетона;

• массивность й > 4, что обеспечивает ограничения по колебаниям температуры при изменении внешних условий;

• поверхностная плотность, или масса 1 м2 конструкции, что обеспечит снижение материалоемкости (важный фактор, способствующий защите от прогрессирующего обрушения).

В табл. 2 [3] приведены характеристики некоторых традиционных ограждающих конструкций, положительно зарекомендовавших себя при длительной эксплуатации зданий в различных климатических районах, у которых, что очень важно, показатели D и Яц удовлетворяют приведенным вы-

Требуемый коэффициент теплопроводности утеплителя для эффективной трехслойной легкобетонной панели общей толщиной 400 мм. Коэффициент теплопроводности бетона (X): 1 — 0,3; 2 — 0,27;3 — 0,24 Вт/(м• °С); общая толщина бетонных слоев: 4 - 0,12; 5 - 0,25; 6 - 0,19

щи

I

Расчет конструкций

Таблица 5

Свойство Бетон на

ПСГ (пеностеклогранулят) ВВГ (вспученный витрозитовый гравий) ВТГ (вспученный туфо-аргиллитовый гравий)

Класс бетона

В3,5 В5 В3,5 В5 В3,5 В5

Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 800

Расход цемента М500, кг/м3 285 330 285 330 285 330

Нормативное сопротивление (призменная прочность), МПа 2,9 4,3 2,9 4,3 2,9 4,3

Расчетное сопротивление, МПа 2,2 3,3 2,2 3,3 2,2 3,3

Начальный модуль упругости, МПа 5900 6400 5900 6400 5900 6400

Нормативное сопротивление на осевое растяжение, МПа 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4

Предельная растяжимость, х105 12,5 15 12,5 15 12,5 15

Мера ползучести, х105 МПа-1 44 26 25 15,5 40 25

Усадка, мм/м 0,9 0,4 0,4 0,35 0,7 0,6

Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/(м-°С) 0,22 0,2 0,18

Сорбционная влажность, % Условия А 3 5 3,5

Условия Б 8 10 8

Расчетный коэффициент теплопроводности, Вт/(м -°С) Условия А 0,25 0,24 0,21

Условия Б 0,29 0,28 0,24

Коэффициент паропроницаемости, мг/(м2-ч-Па) 0,115

Марка по морозостойкости F 75

Защитные свойства по отношению к арматуре Обеспечены

ше значениям, тогда как трехслойные железобетонные панели не всегда соответствуют приведенным значениям показателей.

Таким образом, по условию соответствия панелей требованиям по термическому сопротивлению, сопротивлению паропроницанию, массивности, поверхностной плотности (260-280 кг/м2) предпочтение следует отдать легкобетонным панелям с термовкладышами. На рис. 1 представлена зависимость требуемого значения коэффициента теплопроводности утеплителя для следующих условий (Москва):

- общая толщина панели 400 мм;

- общая толщина бетона не менее 120 мм (50-70 мм по СП 23-101-2004);

- коэффициент теплотехнической однородности панели 0,75; требуемое термическое сопротивление плоскости панели 3,31/0,75 = 4,41;

- бетон панели имеет расчетное значение коэффициента теплопроводности от 0,24 до 0,3 Вт/(м0С).

В зависимости от толщины слоя утеплителя, которая в принципе может изменяться практически до 2 раз (от 0,28 м до 0,15 м), необходимые значения его коэффициента теплопроводности составляют от 0,043 до 0,075 Вт/(м 0С). Однако необходимо учитывать тот факт, что НСП могут включаться в работу в случаях предотвращения возможного прогрессирующего обрушения, в связи с чем необходимо обеспечить достаточную толщину внутреннего слоя бетона для восприятия усилий при возникновении аварийной ситуации. В этом случае внутренний слой бетона целесообразно принимать от 150 до 180 мм. Тогда с учетом внешнего слоя 70 мм (точность изготовле-

ния) толщина утеплителя будет составлять от 180 до 150 мм, а требуемый коэффициент теплопроводности утеплителя - от 0,044 до 0,057 Вт/(м 0С) при коэффициенте теплопроводности бетона от 0,24 до 0,3 Вт/(м 0С). СП 23-101 рекомендует использовать в качестве утеплителя пенополистирол (ПСП) и минеральную вату (табл. 1), коэффициенты теплопроводности которых составляют соответственно в зависимости от средней плотности от 0,029 до 0,05 (ПСП) и от 0,044 до 0,07 (мин. вата), то есть эти материалы соответствуют требованиям. Помимо коэффициента теплопроводности при выборе утеплителя необходимо учитывать его коэффициент паропроницае-мости, требования к величине которого могут быть определены из условия (5):

бу бя

< Цу <

бУ Цвн , б ян

(6)

где бу, бв, бвн - соответственно толщина утеплителя, внутреннего слоя бетона, внешнего слоя бетона; ц.у, цв, цвн -соответственно коэффициент паропроницаемости утеплителя, внутреннего слоя бетона, внешнего слоя бетона.

Несомненно, полимерные теплоизоляционные материалы обладают очень хорошими теплотехническими показателями, но некоторые из них имеют весьма низкий коэффициент паропроницаемости, а проблемы долговечности, пожарной и экологической безопасности ПСП - одного из самых распространенных полимерных теплоизоляционных материалов все чаще ставят под сомнение целесообразность его применения [4]. Требованиям по долговечности, пожарной и экологической безопасности в большей степени

------ЖИЛИЩНОЕ ' —

СТРОИТЕЛЬСТВО

удовлетворяют неорганические теплоизоляционные материалы, которые по своим теплотехническим свойствам в принципе могут конкурировать с ПСП (табл. 3), но объемы и себестоимость их производства пока не всегда позволяют применять их взамен ПСП.

Проблема массового производства эффективного долговечного и безопасного теплоизоляционного материала с приемлемой себестоимостью требует решения. Также необходимо расширять сырьевую базу легких бетонов для ограждающих конструкций. Для эффективных ограждающих конструкций необходимы бетоны с маркой по средней плотности не более 0800 при классе по прочности при сжатии В3,5; В5. Коэффициент теплопроводности бетона не должен превышать 0,3 Вт/(м 0С), а в случае применения новых эффективных утеплителей с коэффициентом теплопроводности не более 0,032 Вт/(м-°С) - не более 0,24 Вт/(м-°С) для удовлетворения требования по величине коэффициента теплотехнической однородности не менее 0,75, марка бетона по морозостойкости Р75. Представленные в табл. 4 данные показывают, что из довольно широкой номенклатуры конструкционно-теплоизоляционных бетонов указанным требованиям из бетонов массового применения соответствуют керамзитобетон и автоклавный ячеистый бетон.

Но высококачественный керамзитовый гравий, необходимый для производства керамзитобетона соответствующего уровня качества, есть далеко не во всех регионах. Не обсуждая здесь достоинства и недостатки ячеистых бетонов, отметим предпочтение авторов легким бетонам на по-

ристых заполнителях. Возможно, решением проблемы расширения сырьевой базы эффективных пористых заполнителей является развитие производства стеклогранулятов, легкие бетоны на основе которых полностью удовлетворяют сформулированным выше требованиям (табл. 5) [3]. Применение таких бетонов в сочетании с неорганическими теплоизоляционными материалами, родственными легким бетонам на стекловидных пористых заполнителях (стекло-пор, пеностекло, стекловата и др.), является одним из существенных факторов обеспечения долговечности НСП. Использование бетонов на стекловидных пористых заполнителях, обладающих высокими показателями стойкости к атмосферным воздействиям, позволит также отказаться от фактурного растворного слоя.

Список литературы

1. Баженов Ю.М., Король Е.А., Ерофеев В.Т., Митина Е.А. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности. М.: АСВ. 2008. 320 с.

2. Матросов Ю.А., Ливчак В.И., Щипанов Ю.Б. Новые МГСН 2.01-99 требуют проектирования энергоэффективных зданий // Энергосбережение. 1999. № 2. С. 3-13.

3. Давидюк А.Н. Легкие конструкционно-теплоизоляционные бетоны на стекловидных заполнителях. М.: Красная звезда, 2008. 206 с.

4. Баталин Б.С., Евсеев Л.Д. Эксплуатационные свойства пенополистирола вызывают опасения // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 55-58.

XV Академические чтения РААСН Международная научно-техническая конференция

ДОСТИЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

14-17 апреля 2010 г.

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

В рамках конференции состоятся:

выставка современного отечественного и зарубеж- ■ выступления докторантов; ного технологического, испытательного и исследо- ■ конкурс молодых ученых;

вательского оборудования для строительной ■ мастер-классы известных ученых для аспирантов, индустрии; студентов и молодых ученых.

Основные научные направления:

Минеральные вяжущие вещества Бетоны

Строительные материалы на основе и с применением полимеров Керамические материалы

Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве Долговечность и оценка срока службы строительных материалов

Экология в производстве строительных материалов и изделий

Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов, рециклинг

Ресурсо- и энергосбережение в производстве строительных материалов и изделий Минеральное строительное сырье

Компьютерное моделирование в строительном материаловедении

Экономика производства строительных материалов Методы и приборы для исследований и испытаний строительных материалов Модернизация стройиндустрии

Процессы, аппараты и технологическое оборудование производства строительных материалов

С условиями участия можно ознакомиться на сайте конференции - www.RAASN15.kgasu.ru Оргкомитет: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, КазГАСУ, УНИД, к.1-78, 1-80 Контактные тел.: (843) 510-46-37, 510-46-36, 238-37-91,510-46-04, факс: (843)236-26-88 e-mail: [email protected], [email protected]

Информационная поддержка: ^ЙШдЙд^ лЬгИИстРо-

ПЗВЕСТИЯ

КааГАСУ