7Повышение темлоемкости и экономичности зданий методом изоляционных работ_
Труханов Степан Викентиевич
кандидат физ.-мат. наук, доцент, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), TruhanovSV@mgsu.ru
Энергосбережение начинается с четкого понимания необходимости улучшения экономических показателей за счет меньшего потребления энергоресурсов. Общественные и жилые здания являются значительным потребителем тепловой энергии в России. Именно поэтому с целью обеспечения рационального использования энергетических ресурсов необходим эффективный подход к проектированию систем отопления. Известно, что европейская нормативная база в области теплоснабжения отличается от отечественной наличием требований к энергоэффективности всей инженерной системы и отдельных ее элементов, а не только норм, которые охватывают проектирование и строительство. Оценочные расчеты по приближенным методикам не дают необходимой картины взаимодействия всех факторов и предоставляют лишь общие результаты. Существуют и другие методы проведения анализа энергопотребления в зданиях, которые позволяют проводить более точный анализ энергетических характеристик. Такие методы предполагают использование специализированного программного обеспечения, с помощью которого можно проводить анализ фактических и получить приведены к стандартным условиям данные по энергопотреблению. Ключевые слова: изоляционные работы, теплоемкость, экономичность, исследование.
По структуре теплоизоляционные материалы бывают зернистыми, ячеистыми и волокнистыми. В зависимости от средней плотности теплоизоляционные материалы и изделия классифицируют таким образом: особо низкой плотности - 15^75 кг/м3; низкой плотности - 100^175 кг/м3; средней плотности - 200^350 кг/м3; плотные -400^600 кг/м3 [2]. Основным признаком теплоизоляционных материалов является большая пористость, которая объединяет материалы в одну группу и определяет их свойства. Чем больше воздушных пор содержит материал, тем ниже его коэффициент теплопроводности. Теплоизоляционные материалы и изделия подразделяют в зависимости от коэффициента теплопроводности Л при температуре 25°С на три класса [3, 4]: низкой теплопроводности - <0,06 Вт/м-°С; средней - 0,06...0,115 Вт/м-°С; повышенной - 0,115...0,175 Вт/м-°С. Теплоизоляционные материалы также разделяют по жесткости - мягкие, полужесткие, жесткие и твердые [5, 6, 7]. Важным показателем теплоизоляционных материалов является воспламеняемость от открытого огня или высоких температур. По этому показателю материалы и изделия делят на три группы: огнеупорные, огнестойкие и сжигательные.
Большинство теплоизоляционных материалов являются многокомпонентные системы, поэтому перенос теплоты в них зависит от теплопроводности твердой фазы, от конвекции и теплопроводности газа в порах и излучение в них. Относительный вклад этих составляющих различен в зависимости от пористости.
Эффективный коэффициент теплопроводности сильно зависит также от влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше, чем для сухого материала и воды по отдельности. Например, для сухого кирпича Л = 0,35 Вт / (м-К), для воды Л = 0,6 Вт / (м-К), а для влажного кирпича Л = 1,0 Вт / (м-К). Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом тепла, что возникает
благодаря капиллярному движению воды внутри пористого материала, и частично тем, что адсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой [1].
Тепловой поток, проходя через поры теплоизоляционного материала, встречает большее сопротивление, чем через твердую основу, поскольку теплопроводность воздуха Л = 0,023 Вт / м х К, что на несколько порядков меньше, чем у любого твердого вещества, из которого состоит матрица теплоизоляционного материала. Поэтому увеличение закрытой пористости в материале способствует уменьшению теплопроводности. Созданием мелких и закрытых пор в теплоизоляционном материале добиваются снижения количества теплоты, передаваемой конвекцией и излучением. Формула В. П. Некрасова связывает теплопроводность материала Л, Вт/мх°с с относительной ной каменных материалов d [3]: Л=1,16 0,0196+ 0,22d2 -0,16.
Следует также отметить, что большое влияние на свойства теплоизоляционных материалов оказывает так же и форма пор, которая в свою очередь ведет к анизотропии свойств материала. Если поры в материале имеют вытянутую форму, то есть параллельно нагружены, то прочность материала выше. Примером может быть древесина, где прочность при сжатии вдоль волокон значительно выше, чем поперек волокон. При этом следует отметить, что теплофизические характеристики в этом случае изменяются в обратной зависимости.
Все теплоизоляционные материалы имеют начальную естественную влажность (до 12%). Материалы с мелкопористой структурой при такой влажности имеют коэффициент теплопроводности в 3-4 раза меньше, чем этот же материал с крупной пористой структурой. Важными показателями для теплоизоляционных материалов является также деформативно-упругие и технологические характеристики, что обеспечивают ему сохранение эксплуатационных свойств на весь период службы.
Новые нормы энергосбережения заставили ужесточить требования к теплозащите зданий [4, 5], что повысило интерес к разработке и производству новых нетрадиционных материалов [6]. При низких температурах зимой, присущие климатическим условиям России, даже в новых домах нередко случаются такие явления, как конденсат в оконных проемах, промерзание стен, грибок, плесень, что говорит о некачественные проектные решения по тепловой защите вопреки введением новых нормативных решений по увеличению теплового сопротивления наружных ограждающих конструкций. Поскольку внешние стены по площади преобладают над площадью любого другого элемента наружных ограждающих конструкций, то и по потенциалу энергосбережения они являются наиболее эффективными. Так, например, при повышении коэффициента термического сопротивления для зданий застройки до 80-х годов прошлого века [7] по 0,9 м2К/Вт до минимального значения 1,8 м2°С/Вт, экономия за счет утепления стеновых конструкций составила более 70% всей возможной экономии тепла.
Наиболее распространенной конструкцией наружных стен является двухслойные ограждающие конструкции, состоящие из несущего и наружного теплоизоляционного слоев.
Эффективность таких конструкций обеспечивается еще и тем, что толщина наружных стен существенно не увеличивается [1-4]. В качестве теплоизоляционных материалов используются минераловатные изделия [5], в том числе и на природных волокнах (65%) [2], пенопласт (до 20%) [3], пенобетон (до 3%) [3], легкие бетоны на основе перлита, вермикулита, бумажного заполнителя [4]. Кроме того, применяют также различные теплоизоляционные штукатурные материалы и окрашивают покрытие
(«Родипор»,«Термо-Шилд»,«ТегтаЮоаЬ>) с вакуумно-керамическими и пенополисти-рольными наполнителями [5]. Также для наружной теплоизоляции используют трехслойные алюминиевые панели.
В жилых домах старой застройки наружные стены имеют более низкий коэффициент термического сопротивления в сравнении с ограждающими конструкциями стен жилых домов новой застройки. Нередко в таких домах (кирпичных, крупнопанельных, крупноблочных) наблюдается промерзание наружных стен. Для устранения такого явления необходимо выполнять дополнительно утепление наружных ограждающих конструкций. Улучшить теплозащитные свойства в соответствии с требованиями новых нормативных документов возможно с помощью дополнительной теплоизоляции. Дополнительную теплоизоляцию можно делать как с внутренней, так и с внешней стороны фасада.
Наружная теплоизоляция имеет ряд недостатков, а именно: накладывается только на сухую стену, однако, после монтажа фасадной системы строительная влага проходит внутрь стены; не обеспечивает долговечности штукатурного слоя наноситься по мягкому утеплителю; штукатурный слой из цементно-песчаного раствора, клея, пленки способствуют накоплению влаги и переносу ее на утеплитель, что снижает его теплоизоляционные свойства до двух раз и срок службы самой конструкции. Безремонтный срок службы такой изоляции составляет не более пяти лет, так как качество ее зависит прежде всего от квалификации рабочих [6].
Основными теплоизоляционными материалами на рынке строительных материалов [3] являются пористые бетоны на различных видах вяжущего, минераловатные утеплители, материалы на основе вспученных горных пород, полимерные теплоизоляционные материалы. В последнее время высокий интерес к газонаполненным пластмассам [7] обусловлено их высокой эффективностью. Слой утеплителя из пено-полистирола толщиной 5-6 см и массой до 2 кг на 1 м2 идентичен по теплотехническим характеристикам слоя минеральной ваты или ячеистого бетона толщиной 15 см при массе 1 м2 26 - 60 кг. Также используются пенополиуретановые материалы, полиэтиленовые и поливинилхлоридные. И хотя относительно высокая стоимость полимеров удорожает себестоимость работ по утеплению, однако возможность использовать их в тонком слое и простота монтажа делает газонаполненные пластики привлекательными для теплоизоляции ограждающих конструкций. Однако полимеры со временем подвергаются деструкции, поэтому их срок службы составляет 5-7 лет.
Особый интерес в настоящее время представляют теплоизоляционные материалы, которые изготавливаются в виде сухих строительных смесей из неорганического вяжущего и минерального или органического наполнителя, так называемые теплые штукатурки (ТШ). Эти материалы одновременно выполняют функции теплоизоляции и отделки [4]. Их теплоизоляционные качества всего в 1,5 раза ниже, чем у признанных утеплителей - пенополистирола и минеральной ваты, и в 10 раз выше, чем у кирпича (теплопроводность ТШ составляет 0,06 Вт/моС, пенопласта - 0,039 Вт/моС, кирпича 0,65 Вт/моС). Это значит, что 5 см штукатурки на стене заменит 3-4 см пенопласта или 51 см кирпича. Теплоизоляционные штукатурки удобны в применении. Это сухие смеси, которые перед применением просто разводят водой. Утепление ТШ делается быстро, и работа не требует особо высокой квалификации.
Теплоизоляционные свойства ТШ обеспечивают легкие пористые наполнители, составляющие 50-75% массы материала, вследствие чего он наполовину состоит из
воздуха. Можно выделить два вида теплых штукатурок: с минеральными или вспененными полимерными наполнителями. Кроме легкости, минеральные наполнители исключительно огнестойкие, не подвержены гниению и поражению грибком.
Вяжущим в ТШ служат цемент, известь, гипс. ТШ имеют адгезию ко всем материалам и при их использовании не требуется применение сеток. Они достаточно прочны, их долговечность сравнима с долговечностью основы. Однако не всегда выгодно применять ТШ в качестве единого утепляющего слоя. В I климатической зоне [4] при кирпичной стене 51 см для обеспечения нормативного сопротивления теплопередаче необходимо наложить 9-12 см ТШ.
Как дополнительное утепление, ТШ удобно применять на существующих зданиях, в том числе при реконструкции и реставрации исторических объектов с богатым декором. Штукатурку невозможно заменить при нанесении утеплителей на криволинейных поверхностях фасадов, арок, архитектурных деталях, откосах окон, наклонных поверхностях. При необходимости ее можно использовать в качестве внутренней теплоизоляции при условии обустройства пароизоляционного барьера [2].
Алюмосиликатные (керамические) полые микросферы - отходы производства при сжигании угля тепловых электростанций. Стеклянные полые микросферы также используют как заполнитель в теплоизоляционных штукатурках. Средняя плотность стеклянных и керамических микросфер составляет 0,1...0,5 т/м3. Введение стеклянных и керамических микросфер позволяет уменьшить теплопроводность, создавать теплоотражающие покрытия, придавать антиконденсационные свойства, улучшить шумоизолирующие свойства, уменьшать вес покрытия [5].
В отличие от других видов отражающих теплоизоляционных материалов, жидкая теплоизоляция на основе полимерных и неорганических вяжущих является паропро-ницаемым материалом и при этом имеет следующие эксплуатационные преимущества перед другими системами утепления: долговечность, отсутствие мостиков холода, простота ремонта при повреждении, негорючесть.
Литература
1. Безфамильная Е.В., Кабанова И.А. Оценка эффективности применения рециркуляции воздуха // Сборник трудов VII Международной научно-техническая конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2017» 23-24 ноября 2017 года. Филиал ФГБОУ «НИУ «МЭИ». Смоленск. 2017. Том 1. С. 8690.
2. Кабанова И.А., Безфамильная Е.В. Оценка эффективности тепло-влажностной обработки воздуха в системах кондиционирования с рециркуляцией воздуха // Вестник Евразийской науки, 2020 №1, https://esj.today/PDF/69SAVN120.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. 2020, №1, Том 12.
3. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирования воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: Учебник для вузов. - 2-е изд. - СПб.: Политехника, 2007. - 423 с.: ил.
4. Баканова, С. В. Оценка экономической целесообразности установки в системе вентиляции здания пекарни рекуператора / С. В. Баканова, П. О. Баранов // Образование и наука в современном мире. Инновации. - 2018. - №2(15). - С. 139-145.
5. Галюжин, С. Д. Экономическая выгода мероприятий повышения энергетической эффективности систем вентиляции / С. Д. Галюжин, Н. В. Лобикова, О. М. Лобикова // Казахстан-Холод 2019: сб. докл. межд. науч.-техн. конф., 20-21 февраля 2019 г. - Ал-маты: АТУ, 2019. - С. 104-110.
6. Галюжин, С. Д. Определение исходных данных для проектирования устройства удаления конденсата из рекуператора вентиляционной установки / С. Д. Галюжин, Н. В. Лобикова, О. М. Лобикова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2019. - № 7. - С.63-71. - DOI: 10.34031/article_5d35d0b6901803.57308546.
7. Трубина Д. А. Местная потеря устойчивости стальных холодногнутых профилей в условиях поперечного изгиба / Д. А. Трубина, Л. А. Кононова, А. А. Кауров и др. // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2014. — № 4(19). — С. 109-127.
8. Советников Д. О. Легкие стальные тонкостенные конструкции в многоэтажном строительстве / Д. О. Советников, Н. В. Виденков, Д. А. Трубина // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2015. — № 3(30). — 153 с.
Increasing the heat intensity and efficiency of buildings by the method of insulation works Trukhanov S.V.
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)
Energy saving begins with a clear understanding of the need to improve economic performance by reducing energy consumption. Public and residential buildings are a significant consumer of thermal energy in Russia. That is why, in order to ensure the rational use of energy resources, an effective approach to the design of heating systems is necessary. It is known that the European regulatory framework in the field of heat supply differs from the domestic one by the presence of energy efficiency requirements for the entire engineering system and its individual elements, and not only standards that cover design and construction. Estimated calculations using approximate methods do not provide the necessary picture of the interaction of all factors and provide only general results. There are other methods of analyzing energy consumption in buildings that allow for a more accurate analysis of energy characteristics. Such methods involve the use of specialized software, with the help of which it is possible to analyze the actual and get data on energy consumption brought to standard conditions. Keywords: insulation work, heat capacity, efficiency, research. References
1. Bezfamilnaya E.V., Kabanova I.A. Evaluation of the effectiveness of the use of air recirculation // Proceedings of the VII
International Scientific and Technical Conference "Energy, Informatics, Innovations - 2017" November 23-24, 2017. Branch of FGBOU "NRU" MPEI ". Smolensk. 2017. Volume 1. S. 8690.
2. Kabanova I.A., Bezfamilnaya E.V. Evaluation of the effectiveness of heat and humidity air treatment in air conditioning systems
with air recirculation // Bulletin of Eurasian Science, 2020 No. 1, https://esj.today/PDF/69SAVN120.pdf (free access). Title from the screen. Yaz. Russian, English 2020, No. 1, Volume 12.
3. Svistunov V.M., Pushnyakov N.K. Heating, ventilation and air conditioning facilities of the agro-industrial complex and housing
and communal services: Textbook for universities. - 2nd ed. - St. Petersburg: Polytechnic, 2007. - 423 p.: ill.
4. Bakanova, S. V. Evaluation of the economic feasibility of installing a recuperator in the ventilation system of a bakery building /
S. V. Bakanova, P. O. Baranov // Education and science in the modern world. Innovation. - 2018. - No. 2 (15). - S. 139-145.
5. Galyuzhin, S. D. Economic benefits of measures to improve the energy efficiency of ventilation systems / S. D. Galyuzhin, N. V.
Lobikova, O. M. Lobikova // Kazakhstan-Holod 2019: coll. report int. sci.-tech. Conf., February 20-21, 2019 - Almaty: ATU, 2019. - P. 104-110.
6. Galyuzhin, S. D., Lobikova N. V., Lobikova O. M. Determination of the initial data for designing a device for removing condensate
from the recuperator of a ventilation unit. Bulletin of the Belgorod State Technological University. B.G. Shukhov. - 2019. - No. 7. - P.63-71. - DOI: 10.34031/article_5d35d0b6901803.57308546.
7. Trubina D. A. Local stability loss of steel cold-formed profiles under conditions of transverse bending / D. A. Trubina, L. A.
Kononova, A. A. Kaurov et al. Construction of unique buildings and structures. - 2014. - No. 4 (19). — pp. 109-127.
8. Sovetnikov D. O. Light steel thin-walled structures in multi-storey construction / D. O. Sovetnikov, N. V. Videnkov, D. A. Trubina
// Construction of unique buildings and structures. - 2015. - No. 3(30). — 153 p.
