В статье рассмотрены вопросы эффективности утепления наружных стен каркасного дома, предназначенного для постоянного проживания. Выполнен расчет величины сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи наружных стен при различной толщине утеплителя при учете влияния теплопроводных включений. На основании выполненных расчетов рассчитана оптимальная толщина слоя утеплителя, соответствующая минимуму срока окупаемости дополнительных инвестиций.

УДК 692.232.7

А.Г. КЕРНИК, руководитель группы технической поддержки продаж ООО «УРСА Евразия», А.С. ГОРШКОВ, канд. техн. наук, директор Учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Ключевые слова: индивидуальный жилой дом, наружные стены, деревянный каркас, фасады, теплоизоляция, дополнительное утепление, энергосбережение, энергетическая эффективность, инвестиции, окупаемость
Keywords: individual dwelling house, external walls, wooden frame, facades, thermal insulation, additional insulation, energy saving, energy efficiency, investments, payback

Каркасные дома представляют один из наиболее распространенных вариантов строительства загородного дома. Каркасные технологии строительства известны уже более 5 веков и в настоящее время являются основным типом малоэтажного строительства в странах Скандинавии, США и Канады. Популярность каркасного домостроения возрастает с каждым годом и в нашей стране.

Современные технологии строительства и применяемые при строительстве материалы позволяют строить каркасные дома, которые не уступают каменным домам по долговечности и надежности. Основными преимуществами каркасного домостроения являются: быстровозводимость, относительно низкая стоимость, всесезонность строительных работ и практически полное отсутствие мокрых процессов при возведении коробки дома. Большинство энергоэффективных зданий в настоящее время возводится по каркасной технологии.

Стены каркасных зданий состоят из несущего каркаса, который может быть выполнен из деревянного бруса, бруса из клееного шпона (ЛВЛ) или тонкостенных профилей из оцинкованной стали (ЛСТК) с заполнением пространства между стойками каркаса плитами из эффективного утеплителя (теплоизоляции). Изнутри и снаружи каркас закрывается отделочными изделиями, перечень которых широк и разнообразен.

Утеплитель (теплоизоляция) служит для уменьшения потерь тепловой энергии на отопление. Чем толще слой теплоизоляции, тем меньшими оказываются потери тепла и, следовательно, здание требует меньшего расхода энергоресурсов (топливо) и тем меньшее количество тепловой энергии требуется подвести к зданию от источника тепла.

Таким образом, утепление ограждающих конструкций приводит к уменьшению потребляемой в здании энергии и, следовательно, к сокращению эксплуатационных затрат на отопление. Однако чем толще слой утеплителя, тем большими оказываются капитальные затраты. Таким образом, еще на этапе проектирования следует произвести экономическую оценку вариантов технических решений.

Капитальные затраты, как правило, значительны, но выделяются единовременно, а экономический эффект от дополнительного утепления будет «набегать» ежегодно, но меньшими порциями. Следовательно, существует некоторая оптимальная толщина слоя теплоизоляции, характеризующая экономическую эффективность принятого решения. Ее можно определить путем оценки экономической эффективности различных вариантов утепления и сравнения их между собой.

В рамках данного исследования для оценки экономической эффективности различных вариантов утепления наружных стен каркасного дома используется показатель прогнозируемого срока окупаемости инвестиций. Наиболее эффективным считается вариант утепления, при реализации которого дисконтированный срок окупаемости ТД инвестиций в доутепление ограждающих конструкций дома окажется минимальным:

ТД = f(δут)→min (1)

Объект исследования

Рассмотрим типовой каркасный дом площадью 150 м² (рис. 1). Площадь наружных стен Аст примем равной 175 м². В качестве несущего каркаса рассмотрим наиболее распространенный вариант – деревянный брус сечением 150х50 мм. Отопление в доме – индивидуальное, от газового котла с КПД 90%. Месторасположение объекта: Московская область.

Цель исследования

Целью исследования является расчет потерь тепловой энергии через наружные стены рассматриваемого объекта исследования, а также оценка прогнозируемых сроков окупаемости четырех вариантов утепления стен толщиной 50, 100, 150 и 200 мм. Схематичное изображение рассматриваемой конструкции наружной стены представлено на рис. 2.

В качестве слоя теплоизоляции примем изделия из минеральной ваты на синтетическом связующем марки TERRA 34 PN. Физико-механические характеристики рассматриваемых изделий представлены в табл. 1.

Рассмотрим, как влияет увеличение толщины теплоизоляции на первоначальные капитальные вложения, потери тепловой энергии через наружные стены, эксплуатационные затраты на компенсацию потерь тепла и сроки окупаемости инвестиций.

Стену с толщиной утеплителя 50 мм примем в качестве базового (минимально допустимого) варианта.

Таблица 1. Основные физико-механические характеристики изделий марки TERRA 34 PN

TERRA	Метод испытаний	34 PN
Теплопроводность в условиях эксплуатации «А» – лА, Вт/(м∙К)	ГОСТ 7076	0,038
Теплопроводность в условиях эксплуатации «Б» – лБ, Вт/(м∙К)	ГОСТ 7076	0,039
Горючесть	ГОСТ 30244	НГ
Плотность, кг/м3	ГОСТ EN 1602	18,5 – 23
Водопоглощение, кг/м2, не более	ГОСТ EN 1609 метод А	1
Класс звукопоглощения	ГОСТ 53376-2009	—
Коэффициент паропроницаемости, мг/м∙ч∙Па	ГОСТ 25898	—
Сорбционная влажность, %, не более	ГОСТ 17177	5
Температура эксплуатации, °С	ТУ 5763-007-56864652-2009	От -60 до +220
Геометрические размеры
Длина, мм	ГОСТ EN 822	1000-1250
Ширина, мм	ГОСТ EN 822	600
Толщина, мм	ГОСТ EN 823	40-220

Дополнительные инвестиции

Увеличение толщины слоя теплоизоляции сверх базовых 50 мм в составе наружных стен каркасного дома потребует дополнительных инвестиций.

В соответствии с исходными данными, площадь наружных стен рассматриваемого объекта исследования принята равной 175 м².

Затраты на монтаж дополнительной теплоизоляции (сверх базовых 50 мм) представлены в табл. 2.

Таблица 2. Капитальные затраты на установку дополнительного слоя теплоизоляции

Толщина слоя теплоизоляции, мм	Капитальные затраты, руб.
100	12 600
150	25 200
200	51 840

Примечание. Представленные капитальные затраты по установке дополнительного слоя утеплителя каркасного дома актуальны для Москвы и Московской области. Стоимость материалов – рыночная, для оптовой категории клиентов. Капитальные затраты рассчитаны с учетом стоимости теплоизоляции, доставки к месту производства работ (в пределах 100 км), погрузочно-разгрузочных работ, работ по подрезке и монтажу утеплителя.

Дополнительные затраты на утепление получены исходя из стоимости теплоизоляции 1200 руб/м³ и рассчитаны по сравнению с базовым вариантом утепления (50 мм), т.е. при толщине слоя теплоизоляции 100 мм дополнительные инвестиции рассчитаны с учетом необходимости установки дополнительного слоя теплоизоляции толщиной 50 мм
и т.д. В последнем случае толщина слоя минеральной ваты 200 мм окажется больше толщины стоек каркаса (150 мм), ввиду чего для установки дополнительных 50 мм теплоизоляции между каркасом и обрешеткой потребуется установить контрбрус толщиной 50 мм, между которым будут уложены последние 50 мм минеральной ваты. В этом случае стоимость работ возрастает непропорционально, что отражено в табл. 2.

Стоимости работы по монтажу теплоизоляции с толщинами 50, 100 и 150 мм приняты равными, поэтому не учтены. При толщине слоя теплоизоляции 200 мм учтены дополнительные затраты на установку контрбруса и укладку между его горизонтальными направляющими утеплителя.

График зависимости капитальных затрат на дополнительное утепление наружных стен рассматриваемого объекта исследования от толщины дополнительного (по сравнению с базовым вариантом) слоя теплоизоляции представлен на рис. 3.

Как следует из данных, представленных на рис. 3, капитальные затраты на дополнительное утепление наружных стен с увеличением толщины теплоизоляции возрастают. При переходе от толщины 150 мм к толщине 200 мм затраты возрастают более быстро. Это обусловлено изменением конструктивной схемы наружных стен ввиду появления между стойками каркаса и облицовочным слоем дополнительного контрбруса.

Для расчета эксплуатационных издержек вариантов домов с различным уровнем теплоизоляции наружных стен требуется понимание параметров климата предполагаемого района строительства и теплотехнических характеристик ограждающих конструкций (стен).

Климатические характеристики района строительства

Расчетные климатические характеристики района строи­тельства приняты на основании данных СП 131.13330 [1] и представлены в табл. 3. Данные характеристики потребуются в дальнейшем для оценки потенциала энергосбережения и экономического эффекта, достигаемого при большей толщине утеплителя.

Таблица 3. Расчетные климатические характеристики предполагаемого района строительства

Показатель	Обозначение параметра	Единица измерения	Расчетное значение
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период	tот	°C	— 3,1
Продолжительность отопительного периода	zот	сут/год	216
Градусо-сутки отопительного периода	ГСОП	°C·сут/год	4990
Расчетная температура внутреннего воздуха по ГОСТ 30494 [2]	tв	°C	20

Уровень теплоизоляции

Уровень теплоизоляции наружных стен может быть оценен с использованием следующих расчетных теплофизических характеристик:

– сопротивление теплопередаче R0, м²·К/Вт;

– коэффициент теплопередачи U0, Вт/( м²·К).

Из рассмотрения единиц измерения представленных теплофизических характеристик следует, что они являются обратно пропорциональными друг другу, т.е. [3]:

(2)

Коэффициент теплопередачи (U-value) является более удобной и понятной теплотехнической характеристикой ограждающих конструкций, т.к. показывает отношение плотности теплового потока к площади ограждающей конструкции при разности внутренней и наружной температур воздуха 1 К.

Сопротивление теплопередаче вариантов стенового ограждения при различной толщине слоя теплоизоляции может быть рассчитано по формуле [4]:

(3)

где αв – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, принимаемый по табл. 7 [5] для наружных стен равным 8,7 Вт/(м²·К); δi – толщина i-го слоя конструкции наружной стены, м; λi – теплопроводность i-го слоя материала наружной стены, Вт/(м·К); αH – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, принимаемый по табл. 8 [4] для наружных стен равным 23 Вт/(м²·К).

Поскольку термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев незначительно по сравнению с термическим сопротивлением слоя утеплителя, а также в связи с тем, что изделия для внутренней отделки могут быть приняты совершенно разными, при расчете сопротивления теплопередаче по формуле (3) облицовочные слои учитываться не будут.

Ввиду того, что в рассматриваемой на рис. 2 конструкции стены перед облицовочным слоем присутствует вентилируемая наружным воздухом прослойка, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены αH на основании примечания «б» к пункту 9.1.2 СП 23-101 [4] примем равным 10,8 Вт/(м²·К).

Тогда сопротивление теплопередаче рассматриваемых вариантов стеновых ограждений составит:

— при толщине слоя теплоизоляции 50 мм (базовый вариант):

— при толщине слоя теплоизоляции 100 мм:

— при толщине слоя теплоизоляции 150 мм:

— при толщине слоя теплоизоляции 200 мм:

На рис. 2 видно, что контур утепления не является сплошным, – деревянные стойки каркаса разрывают контур утепления на всю толщину слоя теплоизоляции, т.е. представляют собой сквозные линейные теплопроводные включения. Поэтому стойки деревянного каркаса обусловливают дополнительные (по сравнению с сечением стены в месте расположения утеплителя) потери тепла, которые следует учесть при оценке потенциала энергосбережения различных вариантов утепления.

Для оценки влияния стоек каркаса на уровень теплоизоляции наружных стен каркасного дома воспользуемся методом, представленным в справочнике [6]. Расстояние между деревянными стойками каркаса примем равным 0,6 м, толщину направляющих – 0,05 м. Схематичное изображение рассматриваемого фрагмента стенового ограждения представлено на рис. 4.

Если толщина слоя утеплителя меньше толщины деревянной стоки каркаса, при расчете коэффициента теплопередачи стеновой конструкции толщину направляющих стоек будем принимать равной толщине слоя утеплителя (как показано на схеме рис. 4). Термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев, толщина которых, как правило, существенно ниже, чем у несущих и утепляющих слоев, будем считать ничтожно малым.

Пространство между утеплителем и облицовкой будем считать вентилируемым. В этой связи коэффициент теплоотдачи наружной поверхности αH примем равным 10,8 Вт/(м·К) [4]. Тогда при толщине слоя утеплителя 50 мм:

— сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи стены по сечению стоек деревянного каркаса (к) составит:

— сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи стены по сечению утеплителя (ут):

С учетом того, что высота стоек каркаса и слоя утеплителя примерно одинаковы, расчет коэффициента теплопередачи можно провести только относительно ширины рассмотренного на рис. 4 фрагмента стенового ограждения [6]:

Аналогичные расчеты, выполненные для других толщин, показывают следующие результаты:

— при толщине слоя утеплителя 100 мм:

— при толщине слоя утеплителя 150 мм:

— при толщине слоя утеплителя 200 мм:

Расчет потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции

Средние за отопительный период потери тепловой энергии через стены дома Qст, Гкал, заданной толщины и заданного состава рассчитываются по формуле [7]:

(4)

где U0 – то же, что и в формуле (1); ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С∙сут (см. табл. 1); 0,024, 1163 – переводные коэффициенты; Аст – площадь наружных стен, м².

Обозначим базовый вариант утепления (50 мм) стен индексом «баз», варианты с большей толщиной теплоизоляции – «ут».

Тогда экономия тепловой энергии, достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен, может быть рассчитана на основании следующего выражения:

(5)

где – коэффициент теплопередачи базового варианта наружных стен (с толщиной утеплителя 50 мм), м²∙К/Вт; – коэффициент теплопередачи наружных стен с большей толщиной слоя теплоизоляции (δi = 100, 150 и 200 мм), м²∙К/Вт; 0,024, ГСОП, 1163, Аст – то же, что и в формуле (4); 859,8 – переводной коэффициент (1 кВт·ч=859,8 ккал); ηк – коэффициент полезного действия газового котла; Qm – теплотворная способность газового топлива, ккал/м³; определяется на основании результатов измерений физико-химических показателей газа в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 5542; при отсутствии паспорта качества газового топлива принимается равной 8000 ккал/м³.

Расчет эксплуатационных затрат

Разница эксплуатационных затрат (∆Э), достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен в течение одного нормативного отопительного периода, руб/год, может быть рассчитана по формуле [7]:

∆Э=∆Q⋅ст, (6)

где ∆Q – то же, что и в формуле (5); ст – стоимость природного газа, руб/м³.

Размер платы за пользование природным газом на отопление жилых домов, расположенных на территории Московской области, ст составляет 5,14 руб/м³ (Распоряжение Комитета по ценам и тарифам Московской области от 10.06.2016 №74-Р).

Результаты расчета приведены в табл. 4 и графически представлены на рис. 5.

Таблица 4. Эксплуатационные затраты

Толщина слоя теплоизоляции, мм	Эксплуатационные затраты на компенсацию потерь тепловой энергии через стены, руб/год	Величина уменьшения эксплуатационных затрат при заданной толщине слоя теплоизоляции по сравнению с базовым вариантом, руб/год
50 (базовый вариант)	10163	—
100	5660	4503
150	3988	6175
200	3087	7076

Расчет окупаемости

Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций, направленных на дополнительное утепление наружных стен, рассчитаем по формуле, предложенной в работах [8-10]:

(7)

где ∆К – разница капитальных затрат на возведение утепленного (Кут) и базового (Кбаз) вариантов наружных стен (фасадов) рассматриваемого объекта недвижимости, руб.; ∆Э – разность потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции до (Эбаз) и после утепления базового варианта наружных стен (Эут) дома, руб/год, r – средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию; i – процентная ставка дисконтирования.

В отличие от формулы, используемой для расчета простой (бездисконтной) окупаемости:

, (8)

формула (7) позволяет учесть не только затраты на утепление ∆К и эксплуатационные расходы на отопление ∆Э, но и показатели динамики роста тарифов на энергоносители (r), а также дисконтирования будущих денежных потоков (i), достигаемых за счет уменьшения эксплуатационных издержек.

Средняя величина относительного роста тарифов на тепловую энергию для населения России ∆сТ составляет примерно 12% в год. Т.е. среднегодовой рост тарифов на тепловую энергию r в формуле (7) примем равным 0,12.

Мерой дисконтирования будущих денежных потоков можно выбрать средний уровень инфляции за определенный промежуток времени (например, за 5 или 10 последних лет), ставку рефинансирования ЦБ РФ, доходность альтернативных вложений (например, открытие вклада в банке на депозитный счет), прочие факторы, влияющие на величину будущих денежных потоков.

Для данной конкретной модели в качестве меры дисконтирования примем величину ключевой ставки ЦБ, равную 10%. С учетом этого значение показателя дисконтирования i в формуле (7) примем равным 0,1.

Рассчитаем по формуле (7) прогнозируемый период окупаемости дополнительных затрат на утепление при различной толщине слоя теплоизоляции, т.е. определим интервал времени, по истечении которого инвестиции в дополнительное утепление стен каркасного дома окупятся (по сравнению с базовым вариантом утепления: δут = 50 мм). Результаты расчета представлены в табл. 5.

Табл. 5. Дисконтированный срок окупаемости дополнительных инвестиций, направленных на утепление наружных стен рассматриваемого объекта исследования в зависимости от толщины слоя теплоизоляции

Толщина слоя теплоизоляции δут, мм	Дополнительные капитальные затраты ∆К, руб.	Разница эксплуатационных затрат ∆Э, руб/год	Дисконтированный срок окупаемости ТД, год
100	19 550	4 503	5,1
150	26 150	6 175	4,9
200	51 840	7 076	8,3

Результаты, представленные в табл. 5, графически показаны на рис. 6.

Как следует из данных, представленных в табл. 5, наиболее полно условию (1) удовлетворяет толщина теплоизоляции 150 мм, т.к. в этом случае дисконтированный срок окупаемости дополнительных инвестиций, направленных на утепление наружных стен рассматриваемого дома, оказывается минимальным (менее 5 лет).

Кроме того, при толщине несущих стоек каркаса 150 мм и толщине утеплителя 150 мм обеспечивается плотное прилегание ветрозащитного слоя к утеплителю (рис. 2). Тогда при прохождении воздуха в воздушной вентилируемой прослойке не будет наблюдаться провисания ветрозащитной мембраны.

Резкое увеличение срока окупаемости инвестиций при толщине слоя теплоизоляции 200 мм для заданного сечения каркаса (50х150 мм) обусловлено необходимостью устройства дополнительного контрбруса (сечением 50х50 мм) и размещения между ним второго (наружного) слоя теплоизоляции толщиной 50 мм. Следует отметить, что при таком варианте утепления несущие стойки каркаса оказываются в зоне положительных температур, что увеличивает их эксплуатационную сохранность и долговечность. При однослойном утеплении стен каркасного дома различные участки сечения стоек подвергаются воздействию различных температур, что вызывает неравномерную их деформацию. При наличии средств для повышения надежности и долговечности несущих элементов деревянного каркаса дома рекомендуется производить утепление таким образом.

Выводы:

1. Одним из способов снижения потерь тепловой энергии на отопление является дополнительное утепление наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий, чердачных перекрытий, наружных дверей и пр.).

2. Чем меньше потери тепла, тем меньшее количество тепловой энергии требуется для компенсации потерь тепловой энергии (при обеспечении нормативных показателей микроклимата). Таким образом, утепление приводит к уменьшению потребляемой в доме энергии и, как следствие, к сокращению платежей на отопление.

3. Дополнительное утепление ограждающих конструкций дома требует дополнительных инвестиций (капитальных вложений).

4. Экономическую эффективность энергосберегающих мероприятий можно характеризовать прогнозируемым сроком их окупаемости.

5. Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций, направленных на утепление наружных стен рассматриваемого объекта исследования (жилого загородного каркасного дома), составляет от 4,9 до 8,3 лет в зависимости от толщины слоя теплоизоляции.

6. Минимальный прогнозируемый срок окупаемости инвестиций в утепление стен каркасного дома составляет 4,9 года и соответствует толщине слоя теплоизоляции, равной 150 мм.

Библиографический список

1. СП 131.13330.2011 Строительная климатология.

2. ГОСТ 30494-2014 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата.

3. ISO 6946-2007 Building components and building elements – Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method.

4. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий.

5. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.

6. Блази В. Справочник проектировщика. Строительная физика. – М.: Техносфера, 2004. – 480 с.

7. Горшков А.С. Инженерные системы. Руководство по проектированию, строительству и реконструкции зданий с низким потреблением энергии. – Санкт-Петербург, 2013.

8. Горшков А.С. Модель оценки прогнозируемого срока окупаемости инвестиций в энергосбережение // Вестник МГСУ, 2015, №12, с. 136-146.

9. Немова Д.В., Горшков А.С., Ватин Н.И., Кашабин А.В., Цейтин Д.Н., Рымкевич П.П. Технико-экономическое обоснование по утеплению наружных стен многоквартирного жилого здания с устройством вентилируемого фасада // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №11(26), с. 70-84.

10. Немова Д.В., Горшков А.С., Ватин Н.И., Кашабин А.В., Рымкевич П.П., Цейтин Д.Н. Технико-экономическое обоснование по утеплению ограждающих конструкций индивидуального жилого дома // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №8(23), с. 93-115.