В работе представлен экскурс в историю эволюции нормативных требований к ограждающим конструкциям в России. В рамках данного исследования рассмотрен период от Урочного положения 1916 года до 1995 года, когда требования к уровню сопротивлений теплопередаче наружных ограждающих конструкций были существенно увеличены в связи с выходом новых законодательных актов Российской Федерации в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий.

УДК 699.86

А.С. ГОРШКОВ, канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого

Ключевые слова: ограждающие конструкции, теплоизоляция, сопротивление теплопередаче, тепловая защита, строительные нормы и правила, своды правил, энергосбережение, энергетическая эффективность
Keywords: building components, insulation, thermal resistance, thermal protection, building codes, energy saving, energy performance

Урочное положение

Первые нормативные требования уровню теплоизоляции были обоснованы в работе [1] и отражены в Урочном положении [2]. Согласно [2] для северной и средней климатических зон (полос), к которым была отнесена подавляющая часть европейской территории дореволюционной России, наименьшая толщина наружных стен из кирпича была узаконена в 2,5 кирпича, т.е. примерно 640 мм. Следует отметить два немаловажных обстоятельства: во-первых, требование это было отнесено к разделу «Устойчивость стен»; во-вторых, было введено исключительно для наружных стен, выполненных кладкой из кирпича. Эти требования были обоснованы [1] и до 1955 года служили определенным ориентиром при проектировании ограждающих конструкций [3]. Связано это было с тем, что в СССР не было комплексных нормативных документов в области строительства. Первая такая система была утверждена только в 1955 году. Раздел, посвященный строительной теплотехнике, составил основу главы 3 раздела В части II Строительных норм и правил СССР.

СНиП II-В.3

Согласно п. 7 §3 СНиП II-В.3 величина сопротивления теплопередаче ограждения должна быть не менее требуемого. Аналитически это требование выражается следующим образом:

R0≥ (1)

где R0 – величина сопротивления теплопередаче многослойных ограждений; – величина требуемого сопротивления теплопередаче ограждений.

Величину сопротивления теплопередаче R0 многослойных ограждений следовало рассчитывать по формуле:

R0=RB+R1+R2+…RH, (2)

где RB, RH – сопротивление теплопереходу (в терминах СНиП II-В.3), соответственно, у внутренней (в) и наружной (н) поверхностей; R1, R2… – термические сопротивления отдельных слоев ограждения, вычисляемые по известной формуле:

R=δ/λ, (3)

где δ – толщина слоя; λ – коэффициент теплопроводности материала, принимаемый по таблице 1 СНиП II-В.3.

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждения следовало рассчитывать по формуле:

, (4)

где tB – расчетная температура внутреннего воздуха, принимаемая для жилых помещений равной 18°С (см. табл. 1 СНиП II-В.10); tH – расчетная зимняя температура наружного воздуха, принимаемая при теплотехнических расчетах наружных ограждений равной средней температуре наиболее холодной пятидневки; αB – коэффициент теплоперехода (в терминах СНиП II-В.3); ΔtH – нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения, принимаемый равным 2,5°С – для полов, 6°С – для наружных стен и 4,5°С – для бесчердачных покрытий и чердачных перекрытий; n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху и учитывающий в ряде случаев то обстоятельство, что температура у наружной поверхности рассматриваемого ограждения, например перекрытия над подвалом или техподпольем, может отличаться от температуры наружного воздуха; m – коэффициент, зависящий от степени массивности ограждения и принимаемый равным 1,0 – для массивных ограждений, 1,1 – для ограждений средней массивности, 1,15 – для легких ограждений.

Следует дополнить, что массивность определялась в зависимости от величины характеристики тепловой инерции ограждения D. Массивными считались ограждения с величиной D от 7,1 и выше, средней массивности – от 4,1 до 7,0, легкими – от 0 до 4,0.

Формулу (4) условно можно трактовать следующим образом: сопротивление теплопередаче наружных ограждений должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить поддержание в здании расчетной температуры внутреннего воздуха не менее 18°С при расчетной зимней температуре наружного воздуха и при этом обеспечить недопущение выпадения конденсата на внутренней поверхности полов, наружных стен и потолков (см. условие по нормированию температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения ΔtH). Впоследствии данное требование получило название «санитарно-гигиенического».

В качестве важного дополнения следует отметить, что размерность для сопротивлений теплопередаче (R0, ), термического сопротивления (R) и сопротивления теплопереходу (RB, RH), принималась м²·ч·град/ккал, т.е. внесистемная.

СНиП II-А.7-62

Аналогичный подход был принят в следующей редакции СНиП по строительной теплотехнике – СНиП II-А.7-62 «Строительная теплотехника. Нормы проектирования» (вступил в действие с 1 июля 1963 года).

Формула (4) претерпела два незначительных изменения.

Во-первых, из нее был убран коэффициент, учитывающий степень массивности ограждения m. Однако он стал учитываться при выборе расчетной зимней температуры наружного воздуха tH. Для «массивных» ограждений в качестве расчетной зимней температуры наружного воздуха, как и ранее, следовало принимать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки; для «легких» ограждений – среднюю температуру наиболее холодных суток; для ограждений «средней массивности» – среднюю из указанных выше средних температур (наиболее холодной пятидневки и наиболее холодных суток).

Во-вторых, в числителе формулы (4) появился еще один коэффициент b, учитывающий качество теплоизоляции в составе наружного ограждения. Формула (4) стала выглядеть следующим образом:

, (5)

где tB, tH, αB, ΔtH, n – то же, что и в формуле (4); b – коэффициент качества теплоизоляции наружного ограждения, принимаемый: а) для наружных ограждений, утепленных материалами, подверженных уплотнению, деформации при усадке (например, стиропор, минераловатные плиты, войлок и т.п.), независимо от их объемного веса равным 1,2; б) для наружных ограждений, утепленных теплоизоляционными материалами с объемным весом менее 400 кг/м³ (за исключением материалов, указанных в подпункте «а»), равным 1,1; в) для всех прочих наружных ограждений – равным 1,0.

Введение нового коэффициента в формулу расчета требуемого сопротивления теплопередаче ограждения учитывало возможность изменения со временем первоначальных теплотехнических показателей (теплопроводности) новых на тот момент времени и еще не усовершенствованных видов теплоизоляционных материалов.

Формула для расчета сопротивления теплопередаче многослойных ограждений изменений не претерпела. Единственное замечание, которое может быть достойно упоминания, касается значений сопротивления теплопереходу. Сопротивление теплопереходу RB, стало называться сопротивлением тепловосприятию у внутренней поверхности, сопротивление теплопереходу, обозначенное в формуле (2) символом tH, – сопротивлением теплоотдаче у наружной поверхности.

Размерности всех тепловых сопротивлений (R0, , RB, RH, R) оставались неизменными, – м²·ч·град/ккал, несмотря на то что в 1960 году наша страна подписала протокол XI Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) и перешла таким образом на международную систему единиц физических величин СИ.

С 1 января 1963 года с введением в действие ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц» система единиц СИ была официально утверждена в СССР во всех отраслях науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании технических дисциплин в школах и вузах. Однако строительная теплотехника продолжала пользоваться внесистемными единицами.

СНиП II-А.7-71

27 октября 1971 года Госкомитетом Совета министров СССР по делам строительства была утверждена следующая редакция СНиП по строительной теплотехнике – СНиП II-А.7-71.

Изменения в части нормирования теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций исходя из обеспечения санитарно-гигиенических условий были минимальными. По сравнению с прежней редакцией стандарта в формуле (5) перестал фигурировать коэффициент качества теплоизоляции b. Видимо, качество теплоизоляционных изделий, выпускаемых промышленностью, не вызывало больше сомнений. Или была подвергнута сомнению достоверность принятых численных значений этого коэффициента. Сейчас причины его отмены доподлинно неизвестны.

Таким образом, формулы (4) и (5) приобрели современный вид:

, (6)

где tB, tH, αB, ΔtH, n – то же, что и в формулах (4) и (5).

Для индустриальных элементов ограждающих конструкций, изготавливаемых по действующим каталогам, а также для сплошных каменных стен из штучных материалов (кирпичей, камней и т.п.) расчетное сопротивление теплопередаче R0 допускалось принимать на 5% меньше требуемого значения .

Были и другие изменения – например, увеличился выбор численных значений коэффициента n, зависящего от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху. Впервые были введены нормативные требования для заполнений световых проемов (окон, балконных дверей и фонарей).

Однако появилось и одно существенное дополнительное требование. Согласно требованиям п. 2.1 СНиП II-А.7-71 сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций должно быть не менее сопротивления теплопередаче , требуемого из санитарно-гигиенических условий, и , определяемого экономическим расчетом в соответствии с указаниями раздела 6 данного стандарта. Таким образом, впервые появляется требование, связанное с экономическим обоснованием требуемого уровня теплоизоляции ограждающих конструкций. Аналитически требования СНиП II-А.7-71 могут быть выражены следующей формулой:

R0≥max{, } (7)

Исходя из обеспечения экономических условий сопротивление теплопередаче определенных типов ограждающих конструкций (наружных стен, покрытий, чердачных перекрытий и перекрытий над проездами, неотапливаемыми подвалами и подпольями) следовало определять по формуле:

, (8)

где Бк – удельные капитальные вложения в устройство системы теплоснабжения; Бэ – годовые удельные эксплуатационные затраты на отопление; Tн – нормативный срок окупаемости дополнительных капитальных вложений; λ – коэффициент теплопроводности материала однослойной ограждающей конструкции или теплоизолирующего слоя многослойной ограждающей конструкции; Когр – стоимость 1 м³ однослойной ограждающей конструкции или теплоизолирующего слоя многослойной ограждающей конструкции.

Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев при проектировании нормирование уровня теплоизоляции ограждающих конструкций производилось исходя из обеспечения санитарно-гигиенических условий.

Нефтяной кризис 1973 года заставил мировые экономики перейти к режиму экономии энергоресурсов ввиду значительного роста их стоимости. В Советском Союзе эти изменения никак не отразились на структуре плановой экономики. Стоимость тепловой энергии оставалась неизменной, а стоимость энергии в составе себестоимости конечной продукции – незначительной. Все это никоим образом не стимулировало к энергосбережению и, как следствие, к внедрению законодательных инициатив и стандартов, направленных на энергосбережение.

Поскольку стоимость тепловой энергии в СССР была незначительной, то ежегодного роста тарифов на тепловую энергию не происходило. Ввиду того что нормативный срок окупаемости дополнительных капвложений Tн ограничивался 8 и 12 годами (при том что расчетный срок эксплуатации новых зданий составлял от 50 до 100 лет), экономически целесообразный уровень сопротивления теплопередаче в подавляющем большинстве случаев оказывался меньше санитарно-гигиенического уровня нормативных требований, а применение экономических расчетов при выборе оптимальных проектных решений для ограждающих конструкций носило крайне ограниченный характер.

Формула для расчета сопротивления теплопередаче многослойных ограждающих конструкций стала выглядеть следующим образом:

(9)

где αВ – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции; αН – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; R1, R2, RBn, Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции (R1, R2, Rn) и замкнутых воздушных прослоек (RBn), если они имеются в ограждающих конструкциях.

Размерности тепловых характеристик оставались внесистемными (м²·ч·°С/ккал).

Следует также отметить, что с введением в действие СНиП II-А.7-71 утратил силу не только СНиП II-А.7-62, но и СНиП II-В.6-62 «Ограждающие конструкции. Нормы проектирования».

В 1970-е годы вышло несколько изменений к СНиП II-А.7-71. В частности:

— изменения № 8 от 01.07.1974 года, когда произошла расширенная детализация ограждающих конструкций по степени массивности;

— изменения № 5 от 01.07.1976 года, среди которых следует отметить появление пункта следующего содержания: «Величину сопротивления теплопередаче многослойных стеновых панелей, имеющих теплопроводные включения в виде ребер и обрамлений, следует определять на основании расчета температурного поля», а также появление новых видов материалов в таблице теплотехнических величин строительных материалов и изделий;

— изменение № 7 от 01.07.1978 года – в таблицу теплотехнических величин строительных материалов и изделий были добавлены новые испытанные конструкционные и теплоизоляционные строительные материалы.

И как следствие, ввиду большого количества изменений и дополнений с 14.03.1979 года взамен СНиП II-А.7-71 был утвержден СНиП II-3-79.

СНиП II-3-79

По сравнению с редакцией СНиП II-А.7-71 в новой редакции стандарта по строительной теплотехнике не произошло принципиальных изменений при выборе нормативных требований.

Формулы для определения требуемого и расчетного значений сопротивлений теплопередаче остались практически неизменными. Из документа исчезло требование экономического обоснования при выборе уровня теплоизоляции. Из значительных изменений стоит выделить появление нового термина – «приведенное сопротивление теплопередаче». При выборе уровня теплоизоляции ограждающих конструкций следовало руководствоваться следующим правилом: приведенное сопротивление теплопередаче должно было быть не менее требуемых значений, определяемых исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий. Таким образом, нормативное требование при выборе уровня теплоизоляции ограждающих конструкций вернулось к виду (1).

Впоследствии, в 1980-х гг., был понижен нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения (∆tH), принимаемый для жилых зданий равным для наружных стен на 2°С – с 6 до 4°С, для полов – до 2°С и для бесчердачных покрытий и чердачных перекрытий – до 3°С. Данное обстоятельство при подстановке новых численных значений коэффициента ∆tH привело к незначительному повышению нормативных требований. Более значительные изменения нормативных требований произошли в 1995 г., когда была переиздана редакция СНиП II-3-79 1979 г.

СНиП II-3-79*

Этому событию предшествовало появление известных изменений № 3 к СНиП II-3-79, утвержденных постановлением Министерства строительства РФ № 18-81 от 11 августа 1995 года, согласно которым п. 2.1 СНиП II-3-79 следовало изложить в новой редакции:

«Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R0 следует принимать в соответствии с заданием на проектирование, но не менее требуемых значений, , определяемых исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий – по формуле (1) и табл. 9 и условий энергосбережения – по табл. 1а (первый этап) и табл. 1б (второй этап).

В табл. 1а (первый этап) приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче, которые должны приниматься в проектах с 1 октября 1995 г. и обеспечиваться в строительстве начиная с 1 июля 1996 г., кроме зданий высотой до 3-х этажей со стенами из мелкоштучных материалов. В заданиях на проектирование могут быть установлены более высокие показатели теплозащиты, в т.ч. соответствующие нормам табл. 1б.

В табл. 1б (второй этап) приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче для зданий, строительство которых начинается с 1 января 2000 г. При этом для вновь строящихся зданий высотой до 3-х этажей со стенами из мелкоштучных материалов, а также реконструируемых и капитально ремонтируемых независимо от этажности сроки введения в действие требований табл. 1б устанавливаются как для первого этапа».

Этот документ действительно заложил новые принципы нормирования теплозащитной оболочки зданий. Новое условие при выборе уровня теплоизоляции стало выглядеть следующим образом:

R0≥max{}, (10)

где R0 – приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции; – требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий; – требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое исходя из условий энергосбережения.

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных), определяемое исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий как и прежде, рассчитывалось по формуле (6).

Требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое исходя из условий энергосбережения , определялось по таблицам 1а и 1б в зависимости от градусо-суток отопительного периода:

ГСОП=(tв – tот. пер)Zот. пер, (11)

где tв – расчетная температура внутреннего воздуха, которая примерно в то же время с введением в практику проектирования СНиП 2.08.01-89* для жилых помещений при теплотехническом проектировании ограждающих конструкций стала приниматься 18°С или 20°С в зависимости от температуры наиболее холодной пятидневки в районе проектирования; tот. пер, Zот. пер – соответственно, средняя температура и продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С.

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0 следовало рассчитывать по формуле:

R0= (12)

где αb, αн – то же, что и в формуле (9); Rk – термическое сопротивление ограждающей конструкции, определяемое: для однородной (однослойной) – по формуле (3), для многослойной с последовательно расположенными однородными слоями следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоев:

Rk=R1+R2+…Rn+RВп, (13)

где R1, R2, Rn, RВп – то же, что и в формуле (9);

Для неоднородной ограждающей конструкции приведенное сопротивление теплопередаче следовало рассчитывать по формуле:

, (14)

где tb, tн – то же, что и в формулах (4) и (11); qрасч – величина теплового потока, которая должна быть вычислена по результатам расчета температурного поля.

Для наружных панельных стен жилых зданий приведенное сопротивление теплопередаче R0 допускалось определять по формуле:

, (15)

где – сопротивление теплопередаче панельных стен, условно определяемое по формулам (12) и (13) без учета теплопроводных включений; r – коэффициент теплотехнической однородности по приложению 13* СНиП II-3-79*, но не менее значений, приведенных в таблице 6а* этого СНиП.

Следует отметить, что ввиду того что большинству проектировщиков, в основе своей – выпускников строительных вузов были неведомы методы расчета температурных полей, в подавляющем большинстве случаев для панельных стен принимались значения коэффициентов теплотехнической однородности из таблицы 6а*, а для остальных типов наружных ограждений расчет сопротивлений теплопередаче производился по формулам (12) и (13).

Следует особо отметить, что при рассмотрении условия (10) оказывалось, что требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое исходя из условий энергосбережения , практически всегда было выше требуемого сопротивления теплопередаче, определяемого исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий . Особенно заметной разница была при необходимости выполнения нормативных требований согласно нормам таблицы 1б. Логика внедрения данного (энергосберегающего) требования в практику проектирования была следующей. Чем выше сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, тем меньшими становятся трансмиссионные потери тепла через них, соответственно, тем меньше тепловой энергии требуется подвести к зданию.

Внедрение этого стандарта повлекло за собой существенное изменение структуры всей строительной отрасли. В практике проектирования ограждающих конструкций появились новые конструктивные решения: многослойные фасадные стеновые конструкции с вентилируемым фасадом, с тонким штукатурным слоем по слою утеплителя, трехслойные стены с облицовочным слоем из лицевого кирпича. Изменилась номенклатура стеновых панелей, в составе которых широко стали применяться эффективные теплоизоляционные материалы и изделия. Стали применяться теплоизоляционные материалы, ячеистобетонные и поризованные керамические изделия, увеличилась пустотность применяемых в практике строительства каменных материалов.

Внедрение в практику строительства СНиП II-3-79* показало, как изменение нормативных требований может способствовать внедрению инноваций в строительную отрасль [4, 5].

Необходимо отметить, что в среде проектировщиков, а также производителей строительных материалов и изделий изменения, отраженные в СНиП II-3-79*, вызвали неоднозначную реакцию. Многие специалисты упрекали разработчиков данных изменений в отсутствии технико-экономического обоснования представленных в таблицах 1а и 1б нормируемых значений сопротивлений теплопередаче. Некоторые производители, чьи интересы в той или иной степени оказались ущемленными, обвиняли разработчиков нововведений в сговоре с другими производителями, получившими, по их мнению, с введением новых нормативных требований толчок в развитии за счет расширения рынков сбыта. Сейчас бессмысленно об этом спорить, но нельзя не отметить сам факт бурных дискуссий, которые всегда сопровождают передовые идеи и инновации. Отметим, что дискуссии вокруг новых численных значений нормируемых сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций продолжаются до сих пор и еще доподлинно не известно, когда будут закончены. На этом главу, посвященную появлению измененной редакции СНиП II-3-79, будем считать закрытой.

Размерность сопротивлений теплопередаче и термического сопротивления перестала быть внесистемной – м²·°С/Вт, но продолжала оставаться вне системы единиц СИ.

Библиографический список

1. Сокольский В.А. Принципы экономичности и их выражение в современном строительстве. – С.-Петербург, 1910. – 538 с.

2. Рошефор Н.И. Иллюстрированное урочное положение. Пособие при составлении и проверке смет, проектировании и исполнении работ. Изд. 6-е исправленное. – Петроград: Склад издания у К.Л. Риккера, 1916. – 694 с.

3. Серк Л.А. Курс архитектуры. Гражданские и промышленные здания. Том I. Конструктивные схемы и элементы гражданского строительства. – М.-Л.: Госстройиздат, 1938, – 441 с.

4. Горшков А.С., Ливчак В.И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, № 3 (30), с. 7-37.

5. Горшков А.С., Ливчак В.И. Ограждающие конструкции зданий: обзор и анализ нормативных требований. – Saarbrcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015, – 68 с.