УДК 691.175

А.Д. ЖУКОВ, канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные материалы и материаловедение» (СМиМ), К.А. ТЕР-ЗАКАРЯН, управляющий директор ООО «ТЕПОФОЛ», Е.А. ЗИНОВЬЕВА, И.С. ДОМНИКОВ, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)

Ключевые слова: каркасный коттедж, изоляционная оболочка, теплоизоляция, несшитый полиэтилен, энергосбережение
Keywords: frame cottage, insulating coating, thermal insulation, non cross-linked polyethylene, energy efficiency

В статье рассматриваются материалы и системные решения, позволяющие утеплять помещения по их внешнему периметру с облицовкой традиционными материалами. Применение рулонного пенополиэтилена, соединение стыков в замок и сварка горячим воздухом позволят формировать бесшовную теплогидропароизоляционную оболочку, обладающую эффективной изолирующей способностью.

В малоэтажном секторе строительства, особенно в условиях частной застройки, определяющим фактором является цена постройки, а все прочие – долговечность конструкции, энергоэффективность и т.д. – рассматриваются как сопутствующие. Такой подход, хотя и не совсем верен, но очень популярен. Вместе с тем существуют и эксплуатируются жилые объекты (до 3-х этажей), которые позволяют объединить все упомянутые факторы [1, 2].

С точки зрения затрат оправданно рассматривается каркасная конструкция, которая позволяет обеспечить необходимую несущую способность каркаса здания, сохраняет возможность выполнения работ с применением средств только малой механизации, она ремонтопригодна и надежна. К преимуществам данной системы относят также небольшой вес [3, 4]. Относительно малая нагрузка предопределяет возможность оптимизации конструкции фундаментов (ленточных неглубокого заложения или свайных), что также снижает стоимость сооружения.

Каркасная технология востребована в зонах сложившейся застройки, в труднодостижимых горных или лесных районах, на островных территориях, в зонах с неразвитой дорожной инфраструктурой.

Каркас чаще всего изготавливается из деревянных балок заводского производства – неклееных пиломатериалов или слоистых клееных изделий. Иногда его производят из деревянных двутавровых балок, выполненных с применением ориентированно-стружечных плит (ОСП) или на базе толстостенных либо тонкостенных металлических конструкций [5-7].

Традиционным материалом несущего каркаса коттеджей или малоэтажных домов является древесина, обработанная соответствующим образом антисептиками и антипиренами, что позволяет снизить ее пожарную опасность до групп Г1 и Г2. В качестве теплоизолирующего компонента могут применяться изделия на основе либо минеральной ваты, либо газонаполненных пластмасс [3]. Принципиальными различиями этих материалов является паро-, воздухо- и влагопроницаемость: высокая у минераловатных изделий и низкая у газонаполненных пластмасс. Минераловатные изделия относятся к группе негорючих или слабогорючих материалов (НГ или Г1), а вспененные пластмассы – к горючим (Г2-Г4).

Каркас собирают и устанавливают. Пропитка древесины антисептиками и антипиренами осуществляется либо индустриально (на деревообрабатывающих комбинатах), либо в условиях стройплощадки, либо после установки каркаса. После сборки каркаса монтируют теплоизоляцию (рис. 1). Традиционно применяют минераловатные плиты. Их ширина адаптирована под стандартные проемы между несущими элементами. Для деревянных конструкций из пиломатериалов толщиной 50 мм проем 550 мм заполняется плитами шириной 565 мм. В каркасах из двутавровых деревянных балок с применением ОСП полость 600 мм заполняется плитами шириной 610 мм. Далее к каркасу крепят паро- и гидроизоляционные материалы, которые зашивают листами внешней и внутренней обшивки.

Высокая паро-, воздухо- и влагопроницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов делает обязательной их специальную дополнительную защиту. Движение паров воды через изоляционные слои создает условия для конденсации на поверхностях контакта капельной жидкости, снижая термическое сопротивление системы и провоцируя дополнительную угрозу для элементов конструкции, подверженных гниению. Паро- и воздухопроницаемость вспененных пластмасс – невысокая, а фильтрационный перенос воздуха осуществляется на стыках отдельных листов. Как правило, такие изделия и водонепроницаемые, и водостойкие [8, 9].

Минераловолокнистые изделия, а также пенополиуретановые и полистирольные материалы содержат в своем составе хотя и полимеризованные, но токсичные компоненты. При грамотной организации процесса изготовления фенолы, стиролы, изоцианаты и другие вещества находятся в химически связанном состоянии и не представляют опасность в плане загрязнения жилых помещений. В случае избыточных термических нагрузок возможна деструкция полимеров. С точки зрения безопасности и экологичности можно отметить пенополиэтилен: полимер, его образующий (полиэтилен), широко используют в медицине именно благодаря своей инертности и безвредности.

Системы изоляции каркасных конструкций отличаются от штукатурных систем и вентилируемых фасадов тем, что теплоизоляционные элементы не воспринимают механическую нагрузку. Это делает возможным применение материалов низкой и средней плотности с минимальной нагрузкой на основание и низкой теплопроводностью. Плотность минераловатных изделий для кровли составляет 40-60 кг/м³, а для каркасных стен – 50-70 кг/м³. Прочность этих изделий невысока, что предполагает защиту изоляционных слоев не только от потоков воздуха и паровоздушной смеси, но и от механических нагрузок. В противном случае возможен вынос волокон и связующего, что приводит к усадке и деформации этих изделий, то есть к нарушению сплошности изоляционного покрытия.

Существует группа вспененных или вспенивающихся полимеров, которые позволяют сформировать бесшовную изоляционную оболочку. Соединение изоляционной оболочки с несущей конструкцией осуществляется либо адгезионно, либо механическим креплением.

К этой группе относят напыляемые (на сплошное основание) полиуретаны: двухкомпонентные системы, вспенивающиеся при нанесении. Основой надежности данной системы является высокая адгезия к основанию. Если таковой адгезии достичь не удается (по причинам несоответствия основания и грубейших нарушений технологии нанесения), то возможно возникновение ситуации, изображенной на рис. 2. Условия нанесения (температурно-влажностный режим в помещении – при внутреннем нанесении; или температура и состояние атмосферы – при наружном нанесении) также влияют на качество результата и долговечность изоляционной оболочки.

Системой с механическим креплением изоляции, позволяющей сформировать бесшовную изоляционную оболочку, является конструкция с применением несшитого вспененного полиэтилена (НПЭ).

В основе реализации этой системы лежат три фактора:

– использование рулонного пенополиэтилена с теплоотражающим слоем или без него;
– механическое закрепление рулонного пенополиэтилена на несущих конструкциях;
– соединение рулонов в замок с последующей сваркой горячим воздухом.

Эта система, как и сам теплоизоляционный материал, разработаны компанией ТЕПОФОЛ. На замковое соединение и формирование бесшовной оболочки за счет сварки горячим воздухом получен патент на изобретение РФ №2645190, зарегистрированный 16.02.2018.

Использование рулонов и матов на основе вспененного полиэтилена (несшитого пенополиэтилена – НПЭ) позволяет формировать полностью изолированные эксплуатируемые объемы. С помощью рулонов металлизированного НПЭ или НПЭ без теплоотражающего покрытия формируются внешние или внутренние изоляционные контуры, а заполнение между элементами каркаса (при необходимости) осуществляется матами НПЭ.

Если изоляционный материал монтируется по деревянному каркасу, то его закрепление осуществляется саморезами с прижимной шайбой (шляпкой). Если изоляция осуществляется по металлическим элементам (каркасу или профилированному металлу), то к ним приваривают специальные штифты, на которые «накалывается» теплоизоляция, а ее закрепление осуществляют несъемной фиксирующей шайбой (рис. 3).

Разработка всех систем изоляции фасадов и стен с применением изделий из НПЭ базируется на концепции «формирования непроницаемого бесшовного покрытия» (разработана компанией ТЕПОФОЛ). Эта концепция основана на следующих положениях:

– изделия из несшитого пенополиэтилена имеют не только низкую теплопроводность, не превышающую 0,039 Вт/(м∙К) даже для условий эксплуатации по группе В, но и низкую паропроницаемость – не более 0,001 мг/(Па∙м∙с) и водопоглощение – не более 0,4% по массе;

– формирование непроницаемого покрытия достигается за счет реализации соединения отдельных листов НПЭ (матов, рулонов) внахлест с последующей сваркой поверхностей контакта листов (рис. 4) горячим воздухом с помощью строительного фена;

– создание бесшовного покрытия (по глади стены) минимизирует количество мостиков холода, а также неплотности между отдельными теплоизоляционными элементами, через которые возможна миграция тепла и паровоздушной смеси из помещения наружу;

– низкая паропроницаемость бесшовной изоляционной оболочки и низкое водопоглощение пенополиэтилена позволяют исключить применение дополнительной паро- и гидроизоляции.

Учитывая, что вспененный полиэтилен является горючим материалом, во всех системах применения должны быть предусмотрены конструктивные способы его защиты от контакта с внешними средами.

Основанием для данной системы являются каркасные стены, выполненные из деревянных элементов или облегченных металлических конструкций (рис. 5). В состав системы входят: рулоны из вспененного полиэтилена (НПЭ) с отражающим покрытием или без него; саморезы по дереву или металлу с шайбами; деревянные бруски (контррейки); фасадная облицовка с элементами ее крепления.

Каркасная система с теплоизоляцией по внешнему контуру применяется при теплоизоляции коттеджей. В качестве каркаса рекомендуются изделия из древесины, пропитанные антипиренами и антисептиками. Рулоны НПЭ (длина рулона может изготавливаться любая в соответствии с техническими требованиями) разматываются по периметру здания и фиксируются к деревянным стойкам саморезами со шляпками (рис. 6).

Рулоны по поверхностям контакта соединяют встык и сваривают горячим воздухом. Пенополиэтилен по периметру проемов дополнительно механически закрепляют. Длина соединительного элемента равна длине изоляционного слоя из НПЭ плюс 10-20 мм в зависимости от типа несущей конструкции. Далее в изоляционной оболочке прорезают оконные и дверные проемы (рис. 7), устанавливают оконное оформление.

На заключительном этапе на изоляционную оболочку с помощью саморезов крепят контррейки и к ним фасадную облицовку, например сайдинг и др. Между стойками деревянного каркаса теплоизоляцию укладывать не рекомендуется.

Размещение изоляции по внешнему контуру и формирование бесшовной оболочки создает особые условия тепло- и массопереноса в строительной системе, несколько отличающиеся от классических решений.

В разработанной системе изоляции внешний контур формируется материалом (пенополиэтиленом), который имеет низкую теплопроводность и одновременно очень низкую паро- и влагопроницаемость. Таким образом, поверхность по глади стены изолируется по всем трем группам факторов. С одной стороны, это хорошо: каркасная система здания и внутренние помещения являются полностью изолированными от внешних атмосферных воздействий, а с другой стороны – могут возникнуть вопросы, связанные с невозможностью диффузии паровоздушной смеси из помещения наружу.

Коттедж (см. рис. 6 и 7) был построен и заизолирован по внешнему контуру в 2011 г. За это время он эксплуатировался постоянно: в нем жили люди и происходили все сопутствующие влажностные процессы. В феврале 2018-го часть внутренних конструкций была вскрыта. Целью исследований была оценка состояния деревянных конструкций каркаса по следующим критериям: влажность древесины, капельная конденсация влаги, появление дефектов, наличие плесени на внутренних конструкциях каркасной системы, общий визуальный контроль.

«Вскрытие» (рис. 8) показало, что состояние всех деревянных элементов удовлетворительно. Никаких внешних признаков поражения деревянных элементов каркаса зафиксировано не было. По поверхностям контакта «древесина – пенополиэтилен» изменения структуры и свойств древесины также не произошло. По мнению авторов, это можно объяснить низким водопоглощением пенополиэтилена и нейтральностью полимера к большинству строительных материалов.

В результате применения бесшовной системы изоляции действительно формируется паронепроницаемая оболочка, но чрезмерного увлажнения каркаса не происходит. ­Обследование показало, что влажность древесины в каркасе не превышает 14%. В то время как, например, для сосны нормальная влажность составляет 15-20%. В помещениях относительная влажность в доме соответствовала отметке 20% и выше, хозяевам приходилось принудительно увлажнять помещения воздухопарогенераторами.

Постоянное наблюдение за объектом и результаты натурных испытаний позволяют сформулировать следующие механизмы влагообмена. Когда на улице устанавливается отрицательная температура, начинается отопительный сезон и в доме включается отопление. В течение одного месяца за счет проветриваний через окна, за счет вытяжки на кухне и в ванной в доме происходит воздухообмен. То есть теплый влажный воздух уходит, а вместо него в дом проникает холодный сухой воздух. Тот же самый процесс можно наблюдать в квартирах каждой зимой: в квартирах становится сухо. Естественно проветривать дом через окна нецелесообразно, так как теплый воздух кубометрами улетучивается на улицу, а холодный, вошедший вместо него, принуждает отопление работать с двойной мощностью, греть холодный воздух до определенной температуры и поддерживать остальной воздух в тех же значениях. В случае с рекуператором происходит то же самое: теплый влажный воздух выводится из дома, а вместо него заходит сухой, но уже перегретый самим рекуператором воздух. Един­ственное отличие – экономия на обогреве уличного сухого воздуха. Рекуператор влажности не прибавляет.

Применение инженерных систем воздухообмена (в данном случае рекуператора) обеспечивает приток свежего воздуха и позволяет поддерживать относительную влажность воздуха в помещении, не превышающую 60%. Таким образом, избыточные пары влаги не конденсируются на элементах каркаса, а удаляются вовнутрь помещения и далее в атмосферу через систему воздухообмена.

Отметим, что в «классических» системах утепления, когда теплоизоляцию (например, на основе минеральных волокон) размещают между стойками и перекладинами каркаса, рекомендуется укладка пароизоляционной пленки (с внутренней стороны изоляционной системы), а с наружной – рулонная гидроизоляция, которая также является частичным паробарьером. В результате создается ситуация, аналогичная системам с применением пенополиэтилена.

Тепло- и энергоэффективность изоляционного контура, выполненного из рулонов НПЭ, многократно повышается при использовании материала с теплоотражающим слоем. При этом металлизированное покрытие располагается внутрь утепляемого пространства, а сам утеплитель фиксируется непосредственно к несущему каркасу.

При теплоизоляции рулонами НПЭ отпадает необходимость в применении дополнительных материалов, поскольку один слой теплоизоляционного материала заменяет традиционный многослойный кровельный пирог. В частности, обустраивать отдельную гидро- и пароизоляцию в этом случае уже не требуется. К достоинствам рассмотренной технологии следует отнести и наличие замковой системы на стыках рулонов, которая дает возможность получать цельное герметичное теплоизоляционное полотно в результате сварки замковых соединений обычным строительным феном.

Библиографический список

1. Жуков А.Д., Заяфаров А.В., Власенко В.А., Зиновьева Е.А. Системы изоляции для дома с пониженным энергопотреблением // Инновации в жизнь, №2 (21), 2017, с. 243-249.
2. Жуков А.Д., Наумова Н.В., Мустафаев Р.М., Майорова Н.А. Моделирование свойств высокопористых материалов комбинированной структуры // Промышленное и гражданское строительство, №7, 2014, с. 48-51.
3. Rumiantcev B.M., Zhukov A.D., Zelenshikov D.B., Chkunin A.S., Ivanov K.K., Sazonova Yu.V. Insulation systems of the building construtions / MATEC Web of Conferences. Vol. 86 (2016). DOI: http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/ 20168604027 материалы // Научное обозрение, №10, 2015, с. 89-93.
4. Wang Y., Huang Z., Heng L. Cost-effectiveness assessment of insulated exterior wall of residential buildings in cold climate // International Journal of Project Management, №25(2), 2007, pp. 143-149.
5. Gnip I.J., Kerulis V.J., Vaitkus S.J. Analytical description of the creep of expanded polystyrene under compressive loading // Mechanics of Composite materials, №41(4), 2005, с. 357-364.
6. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Энергетическая эффективность и методология создания теплоизоляционных материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ, №4(35), 2014, с. 3.
7. Allen E., Iano J. Fundamentals of building construction: Materials and methods / J. Wiley & Sons, 2004. – 28 p.
8. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future. Proceedings of the ICE – Civil Engineering, №144(3), 2001, pp. 113-118.
9. Rumiantcev B.M., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Romanova I.P., Zelenshikov D.B., Smirnova T.V. The systems of insulation and a methodology for assessing the durability / MATEC Web of Conferences. Vol. 86 (2016). DOI: http://dx.doi.org/10.1051/ matecconf/ 20168604036.