ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ФАСАДНЫЕ СИСТЕМЫ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 692.232

Чеботарева В.С.

магистрант кафедры проектирования зданий и сооружений Воронежский государственный технический университет

(Россия, г. Воронеж)

Новиков М.В.

к.т.н., доцент кафедры проектирования зданий и сооружений Воронежский государственный технический университет

(Россия, г. Воронеж)

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ФАСАДНЫЕ СИСТЕМЫ

Аннотация: статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме повышения энергоэффективности, где основным элементом концепции энергосбережения выступает наружная ограждающая конструкция. Рассмотрены различные фасадные системы, произведено их сравнение между собой по техническим, технологическим и экономическим показателям. Выявлены основные преимущества и недостатки данных систем.

Ключевые слова: энергоэффективность, ограждающие конструкции, фасадные системы, навесные фасадные системы, штукатурная система, технико-экономическое сравнение.

Понятие «энергоэффективное здание» в строительной сфере появилось на фоне

мирового энергетического кризиса в 70-х годах, после которого началось постепенное

внедрение различных программ по повышению энергоэффективности зданий. На

протяжении всего этого времени интерес к энергоэффективным зданиям неизменно

растет, а в России проблема обеспечения энергетической эффективности в настоящее

время становится одним из приоритетных направлений развития в строительстве.

Одним из самых главных направлений энергосбережения в последние годы

является уменьшение теплопотерь через наружные ограждающие конструкции, так как

на них приходится до 30 % общих теплопотерь. Энергоэффективность наружных

ограждающих конструкций может обеспечиваться за счет применения современных

56

фасадных систем, а также использования эффективных теплоизоляционных материалов. В настоящее время в современном строительстве применяется множество разновидностей фасадных систем, энергоэффективность которых зависит от различных факторов.

В данной статье рассматривается несколько вариантов, наиболее часто встречающихся фасадных систем зданий, которые можно подразделить на:

- система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки «мокрый фасад»;

- навесные фасадные системы;

- многослойная система с облицовкой фасада кирпичом или мелкоштучными материалами «традиционный фасад»;

Система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки представляет собой сложную многослойную конструкцию, в которой каждый слой выполняет свою определенную функцию, а вся система обеспечивает защиту здания от влаги и хорошую теплоизоляцию. Конструкция состоит из теплоизоляционного слоя, клеевого состава, пластиковых дюбелей, армирующей стеклосетки, а также декоративного штукатурного слоя. При правильном устройстве системы можно уменьшить теплопотери в такой ограждающей конструкции за счет практического исключения мостиков холода.

Штукатурный фасад получил широкое распространение как при возведении новых многоэтажных зданий, так при строительстве частных коттеджей. Относительная простота при выполнении работ делает этот вид фасадов наиболее популярным. Данная технология используется и при реконструкции зданий, ведь именно с помощью штукатурного фасада можно детально воссоздать внешний облик здания, построенного несколько веков назад.

Главную роль в данной конструкции играет слой теплоизоляции. Он исключает возникновения температурных перепадов при смене времен года. Чаще всего используют минераловатные плиты, они имеют открытопористую структуру, тем самым влага свободно проникает сквозь волокна и предотвращает риск выпадения конденсата в данной системе. Такой утеплитель обладает высокими теплотехническими характеристиками, а также это экологически чистый и негорючий материал.

Теплоизоляционные плиты в такой фасадной системе крепятся к поверхности наружных стен либо механических способом, при помощи специальных дюбелей, либо при помощи специального клеевого раствора. В такой конструкции важно правильно подобрать материалы, чтобы конденсат не выпадал в данной системе, снижая при этом теплоизоляционные свойства материала.

Срок эксплуатации у большинства штукатурных фасадных систем сравнительно небольшой и составляет от 15-30 лет. Также к недостаткам данной системы можно отнести сезонность выполнения работ. Данная технология предусматривает наличие плюсовой температуры окружающей среды (не ниже +5°С).

Использование навесных фасадных систем началось сравнительно недавно, примерно 15 лет назад, при проектировании ограждающих конструкций, преимущественно в многоэтажных жилых, административных и общественных монолитно-каркасных зданиях.

Навесные фасадные системы представляют собой многослойную конструкцию, которая опирается на каркас из несущего металлического профиля, который монтируется на наружную сторону стены здания. Частое применение навесных фасадных систем в наше время обуславливается высокими теплозащитными свойствами ограждающих конструкций, а также их нормальным температурно-влажностным режимом, который обеспечивается за счет вентилируемого воздушного зазора, между несущей стеной и отделочным материалом, что позволяет достигнуть ограждающим конструкциям современных требований по теплозащите здания. Также преимущества навесных систем заключаются в том, что их установка исключает необходимость в предварительном выравнивании стен перед монтажом, они позволяют скрыть внешние дефекты, которые сложно исправить при других отделочных материалах.

К технологическим преимуществам можно отнести быстрый и легкий монтаж конструкции, которая может устраиваться как в летний, так и в зимний период. Кроме того, существует возможность смены и облицовочного, и теплоизоляционного материла навесной фасадной системы.

Несмотря на все вышеперечисленные преимущества, данная система все-таки имеет и ряд недостатков. Главной же проблемой таких фасадов является отсутствие установленных норм и правил при их монтаже, что ведет к дальнейшим ошибкам при проектировании. Основная проблема, связанная с воздушным зазором, заключается в сложности определения его расчетной величины с учетом факторов, обеспечивающих качественную работу вентилируемого фасада [2]. В случае чрезмерной толщины зазора, при определенной силе ветра вентилируемые фасады начинают свистеть и гудеть [3]. Если же толщина вентилируемого зазора будет недостаточной, то влага не будет удаляться с теплоизоляционного материала и стенки в целом. Второй немаловажной проблемой навесных вентилируемых фасадов является пожарная опасность. При соблюдении всех норм системы навесных фасадов являются пожаробезопасными, так как в таких фасадах применяются трудно сгораемые или несгораемые материалы.

В настоящее время к традиционному фасаду относят здания, стены которых одновременно выполняют как несущую, так и теплоизоляционную функцию [6-8]. Для архитектурной выразительности и защиты конструкции стены от неблагоприятных внешних воздействий фасадный слой выполняется из облицовочного кирпича. Главным достоинством такой фасадной системы считается доступность и экологичность строительных материалов, а также возможность выполнения строительных работ в любое время года. Такой вид фасада обладает длительным сроком службы от 50 лет.

В качестве облицовки фасадов чаще всего применяется керамический кирпич, так как он имеет более пористую структуру, чем силикатный [9,10]. Через поры материала свободно проходит поток водяных паров из помещения наружу. Такие качества материала способствуют высокой теплоизоляции стен и сохранению тепла, смягчает возникновение температурных перепадов в помещении при смене времен года. Недостатком такой структуры материала является водопоглощение, из-за чего требуется дополнительно предусматривать горизонтальную гидроизоляцию.

При монтаже такой фасадной системы не требуется наличия каких-либо специальных навыков у каменщиков. Такой тип ограждающих конструкций является самым пожаростойким. Также одной из особенностей облицовочного кирпича является его высокая морозостойкость.

Тем не менее, данная фасадная система не лишена недостатков. Работы по возведению таких ограждающих конструкций влекут значительные затраты времени и ресурсов. Из-за большого удельного веса кирпичной кладки создается большая нагрузка на фундамент, поэтому появляется необходимость обустройства усиленного фундамента, в противном случае возможно появление деформаций и трещин в несущих конструкциях и облицовочных слоях.

Произведем сравнение выше рассмотренных наружных ограждающих конструкций стен с целью выявления наиболее оптимальных вариантов по основным группам показателей: технологических, экономических и теплотехнических.

Исследуемые варианты представлены тремя конструкциями стен, которые отличаются материалом несущей части стены, видом и толщиной утеплителя и конструкцией облицовки [3, 9, 10].

В качестве несущей части стены было выбрано 2 варианта:

1.Первым материалом несущей части конструкции принят газобетонный блок марки Э600, толщиной 300 мм на цементно-песчаном растворе марки М150, с коэффициентом теплопроводности Х=0,22 Вт/м°С, плотностью р=600 кг/м3.

2.Вторым материалом несущей части конструкции принята кладка из полнотелого силикатного кирпича толщиной 250 м на цементно-песчаном растворе марки М150, с коэффициентом теплопроводности Х=0,76 Вт/м°С, плотностью р=1700 кг/м3.

В качестве теплоизоляционного материала приняты жесткие минераловатные плиты «ROCKWOOL ФАСАД БАТТС», с коэффициентом теплопроводности в условиях эксплуатации А, равным Х=0,038 Вт/м°С, плотностью р=100 кг/м3.

Районом строительства будет принята Липецкая область, г. Липецк.

Расчетная средняя температура внутреннего воздуха: = 20°С;

Градусо-сутки отопительного периода ГСОП=4726,8 °С • сут;

Условия эксплуатации А.

На основании действующих нормативных документов определено требуемое сопротивление теплопередачи для наружных ограждающих конструкций, для г. Липецк составляет срм=3,05 м2 °С/Вт; коэффициент теплопередачи внутренней поверхности

ав= 8,7 Вт/м2°С; коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для холодного периода ан= 23 м2 °С/Вт.

Первый вариант - система навесного фасада с облицовкой из керамогранитных плит размером 600х600 мм , толщиной 10 мм,.

3 2 I

Рисунок 1. - Система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки 1 - газосиликатные блоки, толщиной 300 мм ; 2 - анкерный дюбель для крепления кронштейна к стене ; 3 - наружное утепление плитами из минераловатной

плиты «ROCKWOOL ФАСАД БАТТС», толщиной 120 мм; 4 - воздушный зазор, толщиной 30 мм; 5 - кронштейн; 6 - ветрозащитная мембрана ; 7 - направляющая; 8 -тарельчатый дюбель; 9 - керамогранитные плиты, толщиной 10 мм; 10 - штукатурка на цементно-песчаном растворе, толщиной 20 мм

Расчетное приведенное сопротивление теплопередачи данной ограждающей конструкции по результатам теплотехнического расчета составляет #н°рм=3,18 м2 °С /Вт. Масса 1 м2 такой ограждающей конструкции составит 260 кг.

Второй исследуемый вариант - конструкции наружной отделки фасада представляет собой отделочный слой из штукатурки по сетке толщиной 20 мм, с коэффициентом теплопроводности Х=0,76 Вт/м°С , плотностью р=1800 кг/м3.

Расчетное приведенное сопротивление теплопередачи данной ограждающей конструкции по результатам теплотехнического расчета составляет ^^°рм=3,15 м2 °С /Вт. Масса 1 м2 такой ограждающей конструкции составит 521 кг.

2 1

Рисунок 2. - Система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки

1 - силикатный кирпич, толщиной 250 мм ; 2 - проникающая грунтовка, слой клеевого состава; 3 - наружное утепление плитами из минераловатной плиты «ROCKWOOL ФАСАД БАТТС»; 4 - армирующая сетка; 5 - кварцевая грунтовка; 6 -декоративный штукатурный слой ROCKdecorsil S ; 7 - дюбель; 8 - штукатурка на цементно-песчаном растворе, толщиной 20 мм

Третий вариант - многослойная система с облицовкой фасада пустотелым керамическим кирпичом толщиной 120 мм (традиционный фасад) с коэффициентом теплопроводности Х=0,52 Вт/м°С , плотностью р=1300 кг/м3.

Рисунок 3. - Традиционный фасад 1 - силикатный кирпич, толщиной 250 мм ; 2 - проникающая грунтовка, слой клеевого состава ; 3 - облицовочный слой из керамического пустотелого кирпича,

толщиной 120 мм; 4 - наружное утепление плитами из минераловатной плиты «ROCKWOOL ФАСАД БАТТС», толщиной 110 мм; 5 - гибкие связи; 6 - штукатурка на цементно-песчаном растворе, толщиной 20 мм

Расчетное приведенное сопротивление теплопередачи данной ограждающей конструкции по результатам теплотехнического расчета составляет ^^°рм=3,32 м2 °С /Вт. Масса 1 м2 такой ограждающей конструкции составит 629 кг.

Результаты

Для выбора наиболее оптимальной конструкции было произведено сравнение стен по основным группам показателей : технологических, экономических и теплотехнических. Результаты данных расчетов представлены в таблице 1, 2.

Таблица 1. Сравнительная таблица конструктивных и технических показателей

Расчетное

Варианты конструкций стен Толщина стены, м сопротивление теплопередаче, м2 °С/Вт Срок службы, лет Масса 1 м2, кг

Система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки 410 мм 3,15 До 20 521

Навесные фасадные системы; 480 мм 3,18 До 30 260

Традиционный фасад (Трехслойная кирпичная стена) 500 мм 3,32 До 100 629

Таблица 2. Сравнительная таблица технологических и экономических

показателей

Варианты конструкций стен Трудоемкос ть работ чел/ч. Затраты машинного времени, маш./ч. Общая продолжите льность работ, ч Усредненна я цена себестоимо сти конструкци

и за 1 м2, руб

Рассматриваемый объем работ, м3 100 100 100

Система утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки 2059 125 119 3100

Навесные фасадные системы из керамогранитных плит 1844 110 81 5650

Традиционный фасад (Трехслойная кирпичная стена) 1288 161 61 3067

Типоразмеры различных материалов стен подбирались таким образом, чтобы приведенное сопротивление теплопередач соответствовало нормативно-техническим документам. Основными параметрами в группе технических и конструктивных показателей является толщина и масса 1 м2 ограждающей конструкции.

Минимальная толщина стены наблюдается у системы утепления фасадов с отделочным слоем из штукатурки - 410 мм, однако ее масса едва ли не самая высокая -521 кг. Наибольшая толщина стены у традиционного фасада, также масса такой конструкции почти в 2,5 раза больше чем у навесного фасада и является самой тяжелой среди представленных вариантов. Наиболее легкой конструкцией оказалась система из навесных фасадов, его масса составляет примерно 260 кг.

Во втором блоке по технологическим показателям наиболее трудоемкой оказалась конструкция стены с отделочным слоем из штукатурки, также эта конструкция с самым большой продолжительностью производства работ.

Для сравнения вариантов по экономическим показателям произведено сравнение себестоимости конструкции для каждого вида фасадов. Самой дорогостоящей конструкцией из трех является навесная фасадная система.

По результатам данного исследования наиболее оптимальной фасадной системой является трехслойная кирпичная кладка с утеплением по экономическим и технологическим показателям.

Список литературы

1. Гагарин В. Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий / В. Г. Гагарин // Academia. Архитектура и строительство. - 2009. - № 5. - С. 297 - 305.

2. Немова Д.В. Навесные вентилируемые фасады: обзор основных проблем // Инженерно-строительный журнал. - 2010. - № 5. - С. 7-11.

3. Менейлюк А.И. Современные фасадные системы. К.: Изд-во Освита, 2008. 340 с.

4. Федяков Я.А Монтаж навесных вентилируемых фасадов: основополагающие

принципы// Экологические системы. 2011.№2.С.5-9.

5. Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач, Н. В. Шилкин «Энергоэффективные здания» Москва АВОК-ПРЕСС 2003.-200 с.

6. Новиков М.В. Применение ячеистых бетонов низкой плотности в ограждающих конструкциях / М.В. Новиков, В.Н. Осипов // Научный Вестник Воронежского ГАСУ. Высокие технологии. Экология. - Воронеж, 2015. - №1. - С. 101-105.

7. Ермаков, Н.О. Обеспечение энергоэффективности при реконструкции жилых домов / Н.О. Ермаков, М.В. Новиков // Научный журнал. Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. - Воронеж, 2017. - № 2 (7). - С. 46-50.

8. Новиков, М.В. Работоспособность системы конструктивных элементов производственного здания при его реконструкции / М.В. Новиков, В.Ю. Саприн // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2017. № 1 (32). С. 79-82.

9. Новиков, М.В. Оценка энергоэффективности кладки наружных стен из крупноформатных теплоэффективных блоков / М.В. Новиков, А.А. Зарубина // Академическая наука - проблемы и достижения: матер. XIV Междунар. науч.-практ. конф. Том 3. - North Charleston, USA: CreateSpace, 2017. - С. 65-73.

10. Власов, И.Е. Проектирование наружных ограждающих конструкций здания гостиницы по минимальным требованиям теплозащиты / И.Е. Власов, М.В. Новиков// Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - Воронеж, 2018. - № 3(32). - С. 35-43.