В.П. ЯРЦЕВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой,
С.А. СТРУЛЕВ, ст. преподаватель,
А.А. МАМОНТОВ, ст. преподаватель,
И.А. СТРУЛЕВА, магистрант, кафедра «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Данная статья посвящена оценке результатов натурных испытаний, проведенных с целью исследования поведения зданий с различными видами широко распространенных в России энергоэффективных ограждающих конструкций за два года эксплуатации. Разработаны рекомендации по выбору конструктивных решений зданий с точки зрения их теплозащитных характеристик.

Актуальность энергосбережения на данный момент несомненна: огромное число ученых по всему миру пытаются решить теоретические и практические вопросы в области защиты окружающей среды, сокращения потребления энергии и повышения энергетической эффективности. Эти вопросы поднимаются на самом высоком уровне вплоть до международных договоров и конвенций.

Строительство как одна из самых энергоемких отраслей не может оставаться в стороне от рассматриваемых вопросов. В Российской Федерации постепенно повышается минимальный разрешенный класс энергетической эффективности возводимых зданий. Сегодня это класс B. Данная тенденция обеспечивает снижение потребления большинства видов энергии. В основу энергоэффективности положен аспект создания термически непроницаемой оболочки здания. В связи с этим важным является вопрос выбора оптимальных, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность конструктивных решений ограждений.

Настоящая работа посвящена оценке результатов натурных испытаний, проведенных с целью исследования поведения зданий с различными видами широко распространенных в России энергетически эффективных ограждающих конструкций [1] за два года эксплуатации (в первую очередь с точки зрения их теплозащитных характеристик), а также разработке рекомендаций по выбору конструктивных решений зданий. Ранее авторами уже была опубликована подобная работа [2], но результаты ее можно считать скорее оценочными и предварительными, так как анализ проводился после всего одного года натурных наблюдений.

Рис. 1. Ограждающие конструкции стен натурных испытательных стендов: 1 – газосиликатный блок марки Д400; 2 – XPS; 3 – штукатурная фасадная система; 4 – минераловатный утеплитель; 5 – система крепления вентилируемого фасада; 6 – керамогранит; 7 – воздушный зазор; 8 – ЦСП; 9 – XPS и деревянный каркас; 10 – ПВХ-сайдинг; 11 – минераловатный утеплитель; 12 – XPS и деревянный каркас

Исследование проводится на полигоне, состоящем из шести натурных испытательных стендов с различным конструктивным решением ограждений. Для сравнения были приняты наиболее часто применяемые ограждающие конструкции при строительстве малоэтажных жилых и общественных зданий на территории Тамбовской области в частности и России в целом. В качестве утеплителя применяли минераловатные плиты и экструдированный пенополистирол. Стенды типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 представляют собой модели малоэтажного дома с бесчердачным покрытием, спроектированные так, что тепловые потери проходят преимущественно через стены. Строения испытательного полигона отличаются видом используемых теплоизоляционных материалов и конструктивным решением ограждений, представленных на рис. 1. Подробнее о методике проведения натурных исследований рассказано в работах [1, 2].

Таблица. Сводные данные по потреблению энергии на отопление испытательных стендов типов 1.1 и 1.2 за период с 2017 по 2019 год

Тип конструкции / месяц	Отопительный период 2017/2018				Отопительный период 2018/2019
Тип конструкции / месяц	Тип 1.1 (газобетон + XPS)	Тип 1.2 (газобетон + минвата)	Разница, кВт×ч /отоп. период	Разница, кВт×ч /отоп. период в %	Тип 1.1 (газобетон + XPS)	Тип 1.2 (газобетон + минвата)	Разница, кВт×ч /отоп. период	Разница, кВт×ч /отоп. период в %
Ноябрь	167,2	178,8	11,6	6,7	278,3	303,2	24,9	8,6
Декабрь	436,3	469,3	33	7,3	687,3	742,4	55,1	7,7
Январь	649,8	704,1	54,3	8,0	886,37	970,6	84,2	9,1
Февраль	1116,3	1199,5	83,2	7,2	1283,9	1398,3	114,4	8,5
Март	1476,5	1586,6	110,1	7,2	1396,8	1521,3	124,5	8,5
Апрель	1597,3	1738,9	141,6	8,4	1537,3	1674,2	136,9	8,5

С октября по апрель включительно (в течение отопительного периода) проводились ежедневные замеры температуры наружного воздуха, воздуха внутри испытательных стендов, а также температуры внутри ограждающих конструкций на различной глубине вблизи внутренней и внешней границы основного теплоизоляционного слоя. В теле конструкции измерения проводились в различных характерных точках: вблизи пола, потолка, углов и на удалении от них.

В результате наблюдений получены значения потребления энергии на отопление рассматриваемых объектов. В таблице приведены данные ежемесячного потребления тепла для испытательных стендов типов 1.1 и 1.2.

Как видно из таблицы, распределение потребления энергии по месяцам и относительная энергетическая эффективность принятых к рассмотрению конструктивных решений от года к году сохраняется, что говорит о хорошей сходимости результатов, качестве проведения измерений. Некоторое отклонение в абсолютных значениях обусловлено климатическими особенностями – отопительный период 2018/19 характеризовался более низкими средними температурами.

Рис. 2. Энергопотребление экспериментальных домов типов 1.1, 1.2 и 2.2 по итогам отопительных периодов 2017/18 и 2018/19

Рисунок 3. Сводные экономические показатели за два отопительных периода, дома типов 1.1 и 1.2

Рисунок 4. Сводные экономические показатели за два и пять отопительных периодов, дома типов 1.1 и 2.2

На рис. 2 приведен сравнительный анализ энергопотребления испытательных стендов типов 1.1, 1.2 и 2.2. Данные типы стендов были выбраны для сравнения в силу их наибольшей распространенности на рынке. Из рис. 2 видно, что кривые энергопотребления имеют идентичную форму и отличаются лишь углом наклона к оси ординат. Горизонтальный участок соответствует летнему периоду, в течение которого отопление не осуществлялось, так же как и кондиционирование воздуха.

Анализируя полученные данные, можно отметить снижение энергетической эффективности от типа 1.1 к типу 1.2 и далее к типу 2.2. Это различие не может быть объяснено разницей величин термического сопротивления ограждающих конструкций. Конструкции подобраны таким образом, чтобы эти значения были максимально близки друг другу. Полученные закономерности скорее отражают влияние термической неоднородности ограждений, которая существенно возрастает в том же направлении, что и энергопотребление. Можно сделать вывод о том, что коэффициенты термической неоднородности, входящие в состав уравнений при определении термического сопротивления конструкции, не в полной мере отражают реально складывающуюся картину.

Для оценки экономических показателей принятых конструктивных решений ограждающих конструкций стен был проведен анализ затрат на материалы и монтаж фасадных систем и конструкций, а также затраты на отопление экспериментальных домов за два отопительных периода – с 2017-го по 2019 год. В качестве объекта для расчета был выбран двухэтажный дом общей площадью 150 м2 (по полу) и с площадью утепляемого фасада 168 м2.

Технико-экономические показатели ограждающих конструкций с СФТК и НВФ, экспериментальные дома типов 1.1 и 1.2 сведены в график на рисунке 3. Тариф на электроэнергию принимался равным 2,91 руб/кВт⋅ч для г. Тамбов (одноставочный тариф).

Технико-экономические показатели ограждающих конструкций из газобетона с СФТК (XPS) и каркасными стенами с минераловатным утеплителем, экспериментальные дома типов 1.1 и 2.2 сведены в график на рис. 4. Тариф на электроэнергию принимался равным 2,91 руб/кВт⋅ч для г. Тамбов (одноставочный тариф).

Таким образом, выполненный анализ показывает, что рассматриваемый объект строительства с фасадной системой с СФТК (XPS) по сравнению с НВФ отличается минимальной из рассматриваемых решений стоимостью монтажа, низкими эксплуатационными затратами на отопление здания. Экономия достигается уже после двух отопительных сезонов. Преимущества экономических показателей ограждающих конструкций дома в случае возведения стен из газобетона с СФТК (XPS) по сравнению с каркасными с минераловатным утеплителем достигается после пяти отопительных периодов.

В целом при проектировании зданий высоких классов энергетической эффективности рекомендуется использовать конструкции с СФТК фасадными системами и плитами XPS как обеспечивающие максимальную теплотехническую однородность. Следует ответственно подходить к назначению коэффициентов теплотехнической неоднородности, поскольку рекомендованные в литературе значения не в полной мере отвечают реальным. Применение ограждений с теплоизоляционным слоем из экструдированного пенополистирола приводит к существенному снижению затрат на отопление, а также на эксплуатацию объекта в целом за счет большего прочностного ресурса и долговечности материала [3]. Уточнение этих показателей может стать еще одним вопросом в продолжение данных исследований.

Библиографический список

1. Ярцев В.П. К вопросу оценки энергетической эффективности ограждающих конструкций малоэтажных зданий / Ярцев В.П., Мамонтов А.А., Струлев С.А. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №1-2, 2019, с. 24-27.
2. Ярцев В.П. Анализ экономической целесообразности применения различных ограждающих конструкций зданий / Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов А.А., Струлева И.А., Жеребцов А.В., Попинако Е.О. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №7-8, 2018, с. 24-27.
3. Ярцев В.П. оценка экономической эффективности применения утеплителей в ограждающих конструкциях каркасно-щитовых зданий / Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов А.А. // Интернет-вестник ВолгГАСУ, №1(37), 2015, с. 12.