УДК 69. 699.865
В.Т. Шаленный, доктор техн. наук, профессор кафедры технологии, организации и управления строительством;
Л.Н. Смирнов, доцент кафедры технологии, организации и управления строительством;
О.И. Древетняк, студент, Академия строительства и архитектуры, КФУ им. В.И. Вернадского, г. Симферополь
Ключевые слова: энергоэффективность, технологии наружного утепления и отделки, изделия и гранулы на основе пеностекла
Keywords: energy efficiency, technology and external insulation finishing, products and granules based on foam glass
В статье изложена эволюция представлений об энергоэффективности и конкурентоспособности современных систем наружного утепления и отделки гражданских зданий. Представлены усовершенствованные конструкции утепления и отделки стен гражданских зданий блоками и штукатурными составами на основе гранул пеностекла – эффективного, экологически чистого и долговечного строительного материала. Показаны преимущества и технологические особенности выполнения работ по предложенным конструктивно-технологическим системам.
Как известно, через конструкции наружных стен возводимых и тем более ранее построенных гражданских зданий происходят наибольшие потери тепла. Потери компенсируются дополнительными затратами на отопление в зимний период и кондиционирование летом [1, 2]. По этой причине актуальной остается научно-прикладная задача развития ресурсосберегающих технологий утепления и отделки этих стен как при модернизации существующих, так и при новом строительстве зданий и сооружений различного назначения.
Следует отметить, что негативный опыт использования относительно дешевых, но недолговечных (нередко подверженных разложению с выделением ядовитых веществ в экстремальных ситуациях) распространенных «энергоэффективных» материалов и конструкций предопределяет необходимость дальнейшего поиска иных конструктивно-технологических систем. Перспективными в применении для утепления и отделки строительных конструкций нам представляются конструктивно-технологические системы на основе материалов из пеностекла [3, 4], хорошо известного профессионалам.
Анализ исследований и публикаций
Как уже отмечалось в работе [5], энергосберегающая модернизация строительных объектов до сих пор происходит под нажимом государственных структур, поскольку заинтересовать российского частного инвестора вложениями в энергосбережение достаточно сложно потому, что «развитые страны имеют более выгодные условия для развития энергоэффективности» [6, 7]. Несмотря на то что, например, в г. Санкт-Петербурге за последние десять лет цены на энергоносители выросли более чем в два раза [8], сроки окупаемости вложений в энергосберегающие мероприятия до сих пор не устраивают потенциальных инвесторов.
По мнению многих авторитетных специалистов, важное значение имеют выбор и последовательность осуществления теплозащитных мероприятий. Так, в работах [9, 10] обращается внимание на оценку экономической эффективности утепления и отделки ранее построенных строительных объектов в виде суммарной чистой дисконтируемой экономии средств (ЧДЭС) за весь срок службы теплозащитных материалов. Замена наихудшей последовательности реализации данных мероприятий на наилучшую дает повышение ЧДЭС на 8,53%. Причем иногда подразумеваются даже большие инвестиционные вложения при утеплении жилого дома серии 1-447С, которые необходимо как минимум окупить за срок службы реализуемых теплозащитных мероприятий.
Продолжаются дискуссии по вопросам рационального значения необходимого термического сопротивления ограждающих конструкций после их термомодернизации. Ссылаясь на публикацию [11] в статье [12], делается вывод о том, что «при проектировании наружных стен из однослойных ограждающих конструкций экономически целесообразно добиваться уровня их теплозащиты, соответствующего потребительскому подходу, то есть в пределах от 2 до 2,5 м2 оС/Вт для большинства районов европейской части России». Представленная аргументация понадобилась авторам для того, чтобы доказать, что применение новых разработок в материаловедении и технологии производства керамзитобетона позволяет его применять в однослойных ограждающих конструкциях, выполняя при этом нормативные теплотехнические требования. Но так поступать можно только при новом строительстве и с использованием инновационных разработок в технологии заводского производства керамзитобетонных конструкций.
Доктор технических наук, профессор Н.И. Ватин в известной статье в очередной раз обратил внимание на отсутствие целесообразности чрезмерного увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций: «При увеличении сопротивления теплопередаче с 0,5 до 3°С·м2/Вт тепловой поток уменьшается на 46 Вт/м2, а при увеличении показателей с 2,5 до 3 – только на 3,1 Вт/м2» [13, с. 56]. Далее, пользуясь приведенными аргументами, авторы определяют оптимальную толщину утеплителя из минеральной ваты для известной системы навесного вентилируемого фасада (НВФ) в условиях реконструкции зданий обследованных детских садов г. Санкт-Петербурга.
Следует отметить, что системы утепления и отделки, относящиеся к группе НВФ и обладающие рядом неоспоримых преимуществ, имеют ряд существенных недостатков. Один из них – себестоимость их устройства, в несколько раз превышающая стоимость устройства «скрепленных» или штукатурных систем [2, 14]. По этой причине мы далее сделаем акцент на совершенствование менее затратных штукатурных систем утепления наружных стен. В качестве утеплителя – исключительно изделия из пеностекла.
Подчеркнем, что использование пеностекла в качестве долговечного, надежного и абсолютно несгораемого утеплителя пропагандируется многими авторскими коллективами, например [15-17].
Последний действующий российский патент в этой области предлагает применение блоков из пеностекла для заглубленных сооружений оборонного назначения в суровых климатических условиях. Аналогичные работы выполняются на Украине под руководством докторов наук, профессоров Савицкого Н.В. и Пшинько А.Н. Эти работы стали составной частью докторской диссертации Никифоровой Т.Д., защищенной в 2016 году, практическая реализация которой заключалась в том числе в экспериментальном проектировании и строительстве в Днепропетровской области первого на Украине энергоэффективного заглубленного жилого дома «EGG» с его наружным утеплением блоками из пеностекла средней плотностью 100 кг/м3 [18].
Единственный, но существенный и до сих пор трудноустранимый недостаток конструктивно-технологических систем наружного утепления стен материалами из пеностекла – большая себестоимость устройства данных систем. Это объясняется высокой стоимостью самих материалов, недостатками конструктивных решений многослойной стены во взаимосвязи со свойствами пеностекла и технологией производства работ по ее утеплению и отделке. Поэтому цель нашей статьи – показать преимущества пеностекла как материала для утепления наружных стен с учетом его уникальных свойств, а также возможные направления совершенствования технологии производства работ, позволяющие повысить ее конкурентоспособность.
Результаты исследования и их анализ
Известный на постсоветском пространстве завод-изготовитель «Гомельстекло» разработал типовую технологическую карту на производство работ по утеплению фасада данным материалом (ТТК №887/6т-2003) [19]. Узким местом технологии стало механическое крепление утеплителя из блоков пеностекла путем дюбелирования. Проблема в том, что дюбелирование блоков разрушает пеностекло вокруг крепления из-за его хрупкости, что непозволительно для подобных теплоизоляционных материалов. Чтобы ограничить механическое воздействие на материал хрупкого утеплителя, с нашим участием был разработан усовершенствованный способ крепления плитных утеплителей без дюбелей при помощи специальных кронштейнов, защищенный патентом РФ на полезную модель №162256 U1 и представленный на рис. 1а.
Отличительными особенностями первой конструктивно-технологической системы теплоизоляции-прототипа являются крепления к стене 2 блоков 1 из пеностекла при помощи стартового углепластикового кронштейна 3 снизу и рядового кронштейна сверху по размерам блока. Они расположены в горизонтальном направлении и прикреплены к стене с помощью оцинкованных анкеров-дюбелей 4. При использовании такой системы предполагается дополнительно закреплять армирующий слой из стеклосетки 5 традиционным приклеиванием к ранее устроенному слою утеплителя и только затем, после твердения клеевого состава, можно приступать к устройству тонкослойной цементно-песчаной штукатурки 6 и окончательной отделке поверхности стены. Но подобные крепежные изделия из углепластика, к сожалению, достаточно дорогостоящие и дефицитные, поэтому их использование в нашей системе утепления и отделки не всегда будет оправданным. В некоторых случаях, ориентируясь на срок службы системы в пределах 20-25 лет, кронштейны из углепластика можно заменить на подобные или усовершенствованные, но произведенные из дешевой и повсеместно распространенной пластмассы.
Исходя из анализа недостатков конструктивной системы-прототипа, в ее дальнейшее развитие разработана и патентуется как полезная модель (решение о выдаче патента по заявке №2017143853 от 28.12.17) усовершенствованная конструктивно-технологическая система наружного утепления и отделки стеновыми блоками из пеностекла, представленная на рис. 1б.
Такая система теплоизоляции стеновых конструкций 1 блоками 2 из пеностекла содержит снаружи блоков армирующий слой 3 из стеклосетки и облицовочный слой цементно-песчаной штукатурки 4. Рядовой кронштейн крепления блоков 2 к стене 1 ранее был прикреплен к стене при помощи оцинкованного анкера-дюбеля 5 и выполнен разъемным из двух частей: уголка 6 с горизонтальной полкой 7 по горизонтальному шву между блоками 2 и вертикально расположенной шайбой 8. На расстоянии, близком к толщине блока 2 от конструкции стены 1, в полке 7 выполнены вырезы, а в шайбе 8 имеется паз по размерам, превышающим сечение полки 7. Как вариант, вместо круглой шайбы 8 можно использовать аналогичные элементы другой, например прямоугольной, формы пластины.
На нижерасположенном блоке 2 из пеностекла предполагается монтаж горизонтальной полки 7. В стене 1 образуют отверстие, куда устраивают оцинкованный анкер 5, прикрепляя таким образом уголковую часть кронштейна 6 с полкой 7 к стене 1. Далее на полку 7 укладывают вышерасположенный блок 2 из пеностекла и приступают к его фиксации вместе с нижерасположенной и армирующей стекло сеткой 3, для чего сетку прорезают и одевают на полку 7 кронштейн 6 до прижатия к блокам 2. Чтобы надежно зафиксировать такое положение блоков 2, через паз нужно надеть шайбу 8, повернуть на 900, а затем переместить по пазу вниз до его окончания. Затем процесс монтажа блоков 2 и сетки 3 аналогичным образом распространяется вдоль и вверх стены 1. С некоторым отставанием от монтажных работ устраивается цементно-песчаная штукатурка 4, полностью скрывающая элементы утепления, крепления и ее армирования.
Как альтернатива облицовке мелкоштучными стеновыми блоками из пеностекла дальнейшего развития требует и традиционная технология «мокрой» штукатурки с использованием сухих штукатурных смесей с заполнителем в виде гранул, песка или щебня. Эти работы предлагается выполнять как с предварительным провешиванием поверхностей и устройством растворных марок и маяков ([20], рис. 2), так и с установкой и выверкой инвентарных маяков из оцинкованной стали.
Для повышения надежности и точности регулирования, сокращения трудоемкости и продолжительности работ, а также повышения качества данного процесса предложен усовершенствованный способ установки и выверки маячно-штукатурного уровня при устройстве маяков. Сущность предложенного инструмента поясняется на рис. 2, где слева показан общий вид штукатурного уровня, а справа – его разрез 1-1, иллюстрирующий установку и регулировку положения этого уровня на стене.
Правило-уровень может быть выполнен в виде отрезка легкой трубы 1 прямоугольного сечения. Вблизи концов этой трубы устроены отверстия 2 большего диаметра и меньшего 3. Через данные отверстия установлен винт 4. На нем, внутри трубы 1, смонтирована пружина 5 таким образом, что один ее конец выходит наружу, а другой опирается на противоположную внутреннюю стенку трубы. Около середины правила 1 прикреплена обычная ампула-уровень 6. В стене 7, на которую предстоит наносить штукатурный раствор, предварительно просверливаются отверстия 8, забивают пробки 9, а в них закрепляют винты 4. Последующим их вращением в двух направлениях правило 1 приводится в вертикальное положение, которое контролируется с помощью ампулы-уровня 6. Таким образом рейка-правило 1 фиксируется на стене 7 на технологически необходимое время. В это время пространство между стеной 7 и правилом 1 заполняют строительным раствором, в том числе с пеностекольным заполнителем, после твердения которого и образуется маяк, необходимый для дальнейшего качественного оштукатуривания требуемой толщины.
Трудоемкость и сроки подготовительных работ можно также существенно снизить при использовании вместо растворных маяков специальных профилей из оцинкованной стали или других материалов, оригинальным способом закрепляемых и выверяемых на поверхности стены ([21], рис. 3).
В случае необходимости дополнительного штукатурного утепления стен толщиной более 50 мм перспективным представляется использование съемных разборно-переставных опалубочных систем, устанавливаемых, выверяемых и временно закрепляемых на этой стене при помощи анкерных устройств (рис. 4). Смесь приготавливается в смесительно-насосном агрегате и по шлангу подается в вертикальную полость, где уплотняется и твердеет. После чего производится распалубка и щиты перемещаются на вышележащий ярус бетонирования. Слабоизученным до сих пор остается вопрос подбора оптимального состава смеси с заданными теплотехническими и прочностными свойствами дополнительно устраиваемого слоя утепления и отделки. Хотя известно, что конструкционно-теплоизоляционный бетон с плотностью порядка 1000 кг/куб. м на основе гранул пеностекла оказывается вполне конкурентоспособным по отношению к аналогичному керамзитобетону [22].
В пользу устройства дополнительного защитно-отделочного слоя на основе монолитного бетона из гранул пеностекла следует отнести тот факт, что в процессе такой термомодернизации существующих гражданских зданий решается проблема разгерметизации стыков панельных конструкций. Под новой монолитной облицовкой можно скрыть (в случае необходимости) стальные или пластиковые элементы усиления конструкций реконструируемых объектов. Преобразится и внешний облик малопривлекательной застройки 60-70-х годов прошлого столетия.
Для сравнения вариантов утепления с устройством традиционной «скрепленной» системы теплоизоляции плитами из пенополистирола и системы теплоизоляции блоками из пеностекла для одного и того же объекта (десятиэтажного жилого дома в г. Феодосия при работе с навесных люлек) магистром Лесниковой Е.И. были запроектированы технологические карты с определением удельных технико-экономических показателей. Конечная стоимость устройства утепления фасада из пенополистирольных плит на рассмотренном доме ожидаемо оказалась ниже себестоимости утепления блоками из пеностекла из-за высокой стоимости самого материала и комплектующих, а трудоемкость, наоборот, выше (табл. 1).
Таблица 1. Результаты экономического сравнения рассмотренных вариантов утепления и отделки в расчете на 100 м2 фасада десятиэтажного жилого дома в г. Феодосия
| Наименование показателей | Единицы измерения | «Скрепленная» теплоизоляция из пенополистирола | Теплоизоляция блоками из пеностекла |
| Стоимость материалов | руб. | 128 964 | 194 268 |
| Стоимость производства работ | руб. | 100 394 | 52 017 |
| Общая стоимость | руб. | 229 358 | 246 285 |
| Трудоемкость единицы продукции | чел.-дней/м2 | 0,57 | 0,4 |
Но при этом совсем не учитывались другие характеристики конкурирующих вариантов, важнейшими из которых, безусловно, являются долговечность будущей эксплуатации, пожаробезопасность и экологичность используемых материалов, а также их изготовления. Частично разрешить отмеченное противоречие можно сравнением вариантов технологии по известному методу профилей и радаров, хорошо зарекомендовавшей себя в машиностроении [23]. «Профиль» позволяет разноразмерные показатели конечной продукции графически представить на одном оценочном поле и объединить их интегральным показателем, который определяется соотношением площадей «профиля» и оценочного прямоугольного поля. Каждый из отобранных показателей оценивался по пятибалльной системе и фиксировался на этом поле и в полярных координатах (рис. 5).
Из результатов следует, что технология утепления наружных стен блоками из пеностекла при помощи крепежа из пластика имеет более высокий интегральный показатель конкурентоспособности с учетом ее эксплуатационных качеств. Она, безусловно, имеет свою рациональную область применения, которую можно уточнить еще и с учетом результатов экспертной оценки весомости каждого из включенных в модель составляющих.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
Таким образом, обоснованы и в комплексе представлены усовершенствованные конструктивно-технологические системы утепления и отделки наружных стен, существующих и строящихся гражданских зданий с использованием мелкоштучных изделий и монолитной штукатурки из пеностекла. Хотя себестоимость устройства предложенных конструктивно-технологических систем существенно выше по сравнению с традиционными (на основе пенополистирола и минеральной ваты), они становятся вполне конкурентоспособными с учетом факторов экологичности, долговечности, а также огнестойкости и технологичности производства отделочно-изоляционных работ. Отметим целесообразность применения предложений при реконструкции существующих гражданских зданий, имеющих дефекты стыков стеновых панелей, необходимость усиления конструкций наружных стен. Монолитная штукатурка позволит скрыть и отремонтировать указанные признаки износа для последующей долговременной эксплуатации реконструируемых объектов. Представленные конструктивно-технологические приемы можно использовать и при устройстве монолитных стяжек полов и кровель изделиями из пеностекла. Обращаем внимание и на решаемую таким путем проблему утилизации стекольного боя, актуальную как для Крыма [24], так и других регионов России.
Библиографический список
1. Технико-экономическая оценка термомодернизации жилых зданий /Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 182 с.
2. Ресурсозбереження в технології влаштування та відновлення властивостей зовнішніх стін цивільних будівель: Навчальний посібник /В.Т. Шаленний, А.М. Березюк, І.Ф. Огданський, К.Б. Дікарев, А.О. Скокова. – Дніпропетровськ: «Акцент ПП», 2014. – 264 с.
3. Минько Н.И., Пучка О.В., Евтушенко Е.И., Нарцев В.М., Сергеев С.В. Пеностекло – современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал // Фундаментальные исследования. 2013. №6. С. 849-854.
4. Шелихов Н.С., Рахимов Р.З. Производство и применение пеностекла в тепловой изоляции: учебное пособие / Н.С. Шелихов, Р.З. Рахимов – Казань: Издательство Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2016. – 331 c.
5. Шаленный В.Т., Мороз В.В. Возможность сокращения сроков окупаемости инвестиций в энергосбережение путем учета и совершенствования и других ресурсосберегающих мероприятий при реконструкции //Строительство и реконструкция. 2016. №6(67). С. 108-115.
6. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» //Жилищное строительство. 2011. №8. С. 2-6.
7. Горшков А.С., Ливчак В.И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям //Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. №3(30). С. 3-30.
8. Горшков А.С., Ватин Н.И., Рымкевич П.П., Кудревич О.О. Период возврата инвестиций в энергосбережение //Инженерно-строительный журнал. 2018. №2(78). С. 65-75.
9. Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. Анализ влияния изменения временных условий на экономическую эффективность термомодернизации группы жилых зданий //Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2016 году. Сборник научных трудов РААСН. – Москва, 2017. С. 191-202.
10. Езерский В. А. Последовательность термомодернизации жилых зданий и ее влияние на экономическую эффективность /В.А. Езерский, П.В. Монастырев, Р.Ю. Клычников //Жилищное строительство. 2015. №6. С. 27-31.
11. Бакрунов Г.А., Вытчиков А.Ю., Полонский В.М. Особенности расчета расхода тепла на отопление энергоэффективных зданий //Технологии, материалы, конструкции в строительстве. 2003. №5(15). С. 33-39.
12. Горин В.М., Токарева С.А., Вытчиков Ю.С. Современные ограждающие конструкции из керамзитобетона для энергоэффективных зданий //Строительные материалы. 2011. №3. С. 34-36.
13. Ватин Н.И., Немова Д.В. Повышение энергоэффективности зданий детских садов //Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. №3. С. 52-76.
14. Романенко Т.Н., Федоркин С.И., Шаленный В.Т. Утепление ограждающих конструкций: Монография /Романенко Т.Н., Федоркин С.И., Шаленный В.Т.; Под редакцией Шаленного В.Т. – «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH, Am Gestade 1, 1010 Vienna, Austria, 2016. – 365 с.
15. Пат. № 162256 U1, Российская Федерация, МПК E04В01/76, Е04F13/75 (2006.01). Система теплоизоляции стеновых конструкций /Т.Н. Романенко, В. Т. Шаленный, Е.И. Лесникова. – заявка №2015154841/03. – Заявл. 21.12.2015; опубл. 10.06.2016, Бюлл. №16.
16. Чебышев М.В. Конструктивные особенности вентилируемого фасада с утеплителем из пеностекла //Жилищное строительство. 2015. №7. С. 27-28.
17. Долговечность ограждающих и несущих конструкций каркасно-панельных зданий серии 1-335АС в условиях г. Сочи /Е.Е. Юрченко, Е.А. Юрченко, А.А. Какосьян, С.А. Кирия //Материалы IХ междунар. науч.-практич. конф. «Строительство в прибрежных курортных регионах», – 23-27 мая 2016 г. – Сочи: РИЦ ФГБОУ ВО «СГУ». 2016. С. 103-107.
18. Пат. № 175267 U1, Российская Федерация, МПК Е04Н9/00. Войсковое фортификационное сооружение для Заполярья /Г.И. Тыцкий, А.В. Широков и др. – Заявл. 01.08.2017; опубл. 29.11.2017, Бюлл. №34.
19. Nikiforova Tatiana. Methods and results of experimental researches of thermal conductivity of soils /Nikiforova Tatiana, Mykola Savytskyi, Karim Limam, Walter Bosschaerts, Rafik Belarbi //Energy Procedia, 2013. – Volume 42. – Pages 775–783 (Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021301847X?np=y).
20. Тепловая изоляция ограждающих конструкций зданий и сооружений с использованием материалов из пеностекла. Технический кодекс установившейся практики. – Минск, 2006. – 97 с.
21. Герман А.С., Шаленный В.Т., Чубукчи Э.С., Тупицын Д.А. Развитие технологии мокрой штукатурки стен путем создания нового инструмента для провешивания поверхностей и установки маяков //Строительство и техногенная безопасность. 2013. №46. С. 81-84.
22. Пат. № 151746, Российская Федерация, МПК F16B 13/00 (2014.01) Устройство для крепления маячкового профиля /В. Т. Шаленный, Э. С. Чубукчи, Д. А. Тупицын. — патент № 89517 (UA); опубл. 10.04.2015, Бюлл. №10.
23. Семейных Н.С., Сопегин Г.В., Федосеев А.В. Оценка физико-механических свойств пористых заполнителей для легких бетонов //Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 2 (113). С. 203-212.
24. Фасхиев Х.А. Оценка экономической эффективности качества и конкурентоспособности изделий / Х.А. Фасхиев //Вестник машиностроения. 2000. №10. С. 59-66.
25. Шаленный В.Т. О целесообразности создания в Крыму цикла переработки отходов стекла в пеностекло – экологически чистый и долговечный утеплитель /XXII международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы инновационного развития экономики», г. Алушта, 10-16 сентября 2017 г. / Издательство «Отечество»: Казань – Симферополь – Алушта, 2017. С. 392-397.
