В работе продолжен экскурс в историю эволюции нормативных требований к ограждающим конструкциям в России. На основании данного исторического экскурса, а также обзора последних публикаций автором предложено нормативное требование к ограждающим конструкциям, основанное на необходимости выполнения санитарно-гигиенических условий и позволяющее корректировать базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче с учетом региональных, климатических и экономических условий района строительства.

УДК 699.86

А.С. ГОРШКОВ, канд. техн. наук, директор научно-учебного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем», ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

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

В основе обеспечения условий надежности строительных конструкций нормами проектирования установлены два предельных состояния:

1) наступление полной утраты конструкцией несущей способности, сопровождающейся аварийными состояниями (первое предельное состояние);

2) достижение конструкцией таких статических или динамических перемещений, при которых невозможна эксплуатация сооружений (второе предельное состояние).

При проектировании зданий по методу предельных состояний задаются предельно допустимые значения основных характеристик (прочностных, деформационных, теплозащитных, звукоизоляционных и др.) строительных конструкций.

В самом общем виде условие обеспечения надежности строительной конструкции заключается в выполнении следующего основного условия:

, (1)

где Nl – нормативная нагрузка; Kl – коэффициенты перегрузки (повышающие нормативную нагрузку);
Rp – нормативный предел прочности конструкции; A – геометрическая характеристика сечения конструкции;
kp – коэффициенты условий работы, уменьшающие предел прочности.

Различают коэффициент надежности по нагрузке, коэффициент надежности материала, коэффициент точности, коэффициент условий работы и некоторые другие. Они могут различаться, например, в зависимости от группы предельных состояний.

Таким образом, сущность расчетного метода обеспечения надежности строительной конструкции по прочности заключается в выполнении следующего условия: наиболее вероятные максимальные нагрузки, полученные в результате произведения нормативной нагрузки на повышающие коэффициенты Kl и рассчитанные с учетом самого неблагоприятного сочетания действующих на конструкцию нагрузок, не должны превышать наименее вероятный предел прочности, рассчитанный с учетом комплекса понижающих коэффициентов kp.

Для обеспечения надежной эксплуатации строительной конструкции должен присутствовать запас ее прочности. По сути, он представляет собой отношение произведения повышающих коэффициентов из левой части уравнения (1) к произведению понижающих коэффициентов из правой части уравнения (1).

Принятая в практике проектирования методика прочностных расчетов, включающая определение действующих усилий и расчетных сопротивлений в отдельных элементах зданий, приводит к необходимости введения больших запасов прочности. С одной стороны, введение больших коэффициентов запаса приводит к удорожанию себестоимости строительства, с другой стороны, обеспечивает безопасность и долговечность конструкций. Коэффициенты эти как бы страхуют людей на случай, если строительные работы могут быть выполнены с некоторыми (допустимыми) дефектами. На стадии проектирования сложно предположить, какие виды дефектов могут быть допущены при производстве строительных конструкций, их транспортировке, монтаже и эксплуатации. Именно поэтому вводятся повышающие и понижающие коэффициенты, которые как бы прогнозируют возможность появления дефектов и повреждений и обеспечивают при этом безопасную эксплуатацию зданий в течение расчетного срока его эксплуатации. И именно в этом обнаруживается вероятностная природа прочностных расчетов, основанных на понятном инженерном принципе, согласно которому действующие нагрузки (усилия) не должны превышать несущую способность рассчитываемых строительных конструкций или их элементов.

Основное нормативное требование

В настоящее время нет единой общепринятой точки зрения на предмет установленных нормативных требований к уровню тепловой защиты. Отметим, что санитарно-гигиенический уровень нормативных требований был понятен и объективен. Уровень нормативных требований, установленный в 1990-е гг., исходя из условий энергосбережения имел положительное влияние на строительную отрасль. Нововведения опережающими темпами предшествовали законодательным инициативам государства в области энергосбережения. Но также следует признать и тот факт, что до сих пор эти повышенные нормативные требования не были однозначно обоснованы. По всей видимости, в нестабильных рыночных условиях, когда за несколько месяцев могут резко измениться экономические показатели, это сделать очень сложно. Сложно прогнозировать, каким будет уровень инфляции в стране через 10, 15 лет и более, как быстро будут расти тарифы на энергетические ресурсы, какие банковские процентные ставки по кредитам будут доступны, какую норму дисконтирования будущих денежных потоков следует закладывать в экономические расчеты. Такие прогнозные значения сложно сделать, тем не менее, следует отталкиваться от некой «безупречной» научно обоснованной базы.

В работе [1] содержится своевременное предложение на этот счет. Автор [1] предлагает методологию, в соответствии с которой величина требуемого сопротивления теплопередаче должна определяться на основании следующих двух этапов:

— на первом этапе сопротивление теплопередаче должно удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям;

— на втором – корректироваться на основе экономических расчетов.

Еще одной проблемой является значительное несоответствие между расчетными и фактическими показателями сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций. Натурные испытания нескольких десятков зданий показали, что фактические показатели сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций в 1,5-2 раза ниже проектных [2]. Аналогичные результаты получены в работах [3-5]. В результате реальное энергопотребление обследованных зданий значительно превышает проектные и нормативные показатели [2]. От этого все новые дома по фактическим показателям удельного потребления тепловой энергии попадают в категорию неэффективных, т.к. не удовлетворяют нормативным требованиям.

В этой связи автор предлагает следующий принцип нормирования сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, который аналитически можно выразить введением следующего основного условия:

, (2)

где R0 – сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, рассчитываемое по традиционным и понятным большинству инженеров-строителей формулам типа (12) [6]; – требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий, то есть то же, что и в формулах (4-6, 10) [6]; r – коэффициент теплотехнической однородности, численное значение которого может быть рассчитано по методике Приложения Е СП 50.13330.2012 (см. формулу Е.4) или иному методу расчета, включая международные, принятые в стандартах ISO; kквал – коэффициент, учитывающий возможную квалификацию рабочих, выполняющих работы по теплоизоляции ограждающих конструкций; kконв – коэффициент коррекции численных значений расчетного значения сопротивления теплопередаче, учитывающий вероятность появления пустот в составе ограждающих конструкций, которые могут уменьшать расчетное значение сопротивления теплопередаче за счет переноса тепла конвекцией и излучением. Степень уменьшения зависит от размеров, ориентации и положении воздушной пустоты в составе ограждающей конструкции. Рекомендуемые значения для коэффициентов коррекции представлены в таблице; Кэк – коэффициент, учитывающий экономическую целесообразность повышения санитарно-гигиенических требований, рассчитываемый с учетом региональных и экономических условий района проектирования здания (методики его расчета еще следует разработать и утвердить; в качестве основы могут быть предложены методики, представленные в работах [7-17]); Крег – коэффициент регулирующего воздействия на этапы проектирования и строительства зданий, численные значения которого могут приниматься на региональном уровне без проведения экономических расчетов, то есть без обоснования коэффициента, численное значение которого в этом случае может приниматься равным единице.

Таблица. Рекомендуемые значения коэффициента коррекции

Описание	kконв
Воздушные полости в составе слоя теплоизоляции отсутствуют, или имеют место незначительные полости, не оказывающие существенного влияния на изменение расчетного значения коэффициента теплопередачи	1,00
Воздушные полости образуют сквозные мостики между теплой и холодной поверхностями слоя теплоизоляции, однако циркуляции воздуха в зоне воздушных пустот не происходит	0,98
Воздушные полости образуют сквозные мостики между теплой и холодной поверхностями слоя теплоизоляции и в сочетании с вентилируемыми полостями приводят к циркуляции воздуха в зоне воздушных пустот	0,96

Ниже представлены некоторые наиболее характерные примеры параметров коррекции на влияние воздушных полостей kконв.

а) Примеры, для которых следует применять параметры коррекции kконв=1,00.

— Непрерывные слои теплоизоляции без каких-либо разрывов конструктивными элементами, например стойками, стропилами или брусом, со стыками вразбежку между матами и плитами в каждом отдельном слое. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

— Более одного слоя теплоизоляции, один из которых непрерывный и без каких-либо разрывов конструктивными элементами: стойками, стропилами или брусом, покрывающий другой слой (слои) с проникающими в него (в них) конструктивными элементами. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

— Один слой непрерывной теплоизоляции с соединением внахлест (полушпунт), в паз-гребень или с герметизацией стыков. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

— Один слой непрерывной теплоизоляции со стыковым соединением, в котором отклонения по геометрическим размерам длины, ширины и перпендикулярности граней совместно образуют стабильные размеры стыков, ширина которых не превышает 5 мм. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

— Один слой теплоизоляции, термическое сопротивление которого меньше или равно половине от общего сопротивления теплопередаче конструкции. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

б) Примеры, для которых рекомендуется применять параметры коррекции kконв=0,98.

— Один слой теплоизоляции, прерываемый на всю толщину конструктивными элементами. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

— Один слой непрерывной теплоизоляции со стыковым соединением, в котором отклонения по геометрическим размерам длины, ширины и перпендикулярности граней совместно образуют стабильные размеры стыков, ширина которых превышает 5 мм. Теплоизоляция плотно прилегает к конструкциям, без зазора между конструкциями и теплоизоляцией.

в) Примеры, для которых рекомендуется применять параметры коррекции kконв=0,96.

— Один или более слоев теплоизоляции без плотного контакта с теплой стороной конструкции, с полостями между конструкциями и теплоизоляцией, что приводит к движению воздуха между теплой и холодной сторонами теплоизоляции.

Таким образом, коэффициенты в правой части неравенства (2) могут применяться как по отдельности, так и в совокупности. С их введением появляется механизм регулирования нормативных требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций на региональном уровне с целью выполнения принятых региональных программ энергосбережения.

Неравенство (2) основывается на классической (традиционной) основе выбора исходных нормативных требований, которая была заложена еще в советских СНиПах (СНиП II-В.3, СНиП II-А.7-62, СНиП II-А.7-71, СНиП II-3-79).

Условие (2) очень похоже на условие (1) из предыдущего раздела. Неравенство (2) выражает требование, согласно которому наименее неблагоприятное расчетное сопротивление теплопередаче, рассчитанное с учетом влияния мостиков тепла, наличия пустот и иных дефектов, допущенных при монтаже теплоизоляции в составе ограждающих конструкций, не должно быть ниже требуемого сопротивления теплопередаче. Сопротивление теплопередаче определяется исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий с учетом региональных, климатических и экономических условий района строительства. При этом формула типа (11) [6] уже учитывает климатические особенности района проектирования.

Коэффициенты в левой части неравенства (2) не могут быть выше единицы, и наоборот – коэффициенты в правой части неравенства (2) не могут быть ниже единицы (поэтому они обозначены заглавными буквами).

Понижающие коэффициенты в левой части неравенства (2) носят корректирующий характер, они закладывают «запас прочности» ограждающих конструкций на предмет их соответствия нормативным требованиям, т.к. учитывают возможное несоответствие выполненных монтажных работ при проведении утепления ограждающих конструкций требованиям проекта.

Коэффициенты в правой части неравенства (2) носят регулирующий характер, они могут учитывать региональные особенности района проектирования, наличие необходимой производственной базы (например, могут вводиться при открытии в регионе крупного производственного предприятия, выпускающего инновационную строительную продукцию). В такой огромной стране, как Россия, с большим количеством часовых поясов и климатических зон, складываются и разные экономические условия для реализации энергосберегающих мероприятий и региональных программ повышения энергетической эффективности. В этой связи введение регулирующих коэффициентов позволит регионам более гибко реализовывать региональные программы по повышению энергоэффективности.

Безусловно, появление некоторых коэффициентов в формуле (2) вызывает много вопросов. Например, как можно заранее, введением квалификационного коэффициента, спрогнозировать соответствие квалификации рабочих на строительной площадке определенным требованиям? Его значение может быть принято, например, равным:

— kквол=1,0, если более 90% рабочих подрядной организации соответствуют определенным квалификационным требованиям для выполнения работ по теплоизоляции ограждающих конструкций, а сама строительная организация имеет полный набор необходимого оборудования для выполнения работ на строительной площадке;

— kквол=0,9, если менее 50% рабочих удовлетворяют квалификационным требованиям, а строительная организация не имеет полного перечня требуемого оборудования и приспособлений.

Как бы то ни было, введение коэффициента kквол может стимулировать застройщика не искать для выполнения подрядных работ по теплоизоляции ограждающих конструкций строящегося или реконструируемого здания любую компанию, которая готова выполнить работы за наименьшую стоимость, а подвигнет делать выбор в направлении проверенных квалифицированных организаций. Тем самым у застройщика снизится стимул экономить на монтажных работах. При согласовании с застройщиком данного коэффициента на этапе проектирования он заранее будет искать компанию, соответствующую заданным квалификационным требованиям.

Безусловно, коэффициенты, предложенные в неравен­стве (2), требуют доработки, обоснования, и быть может, дополнения другими факторами, не учтенными в (2).

Выводы:

В этой работе и ряде других работ (например, [6]) представлен экскурс в историю эволюции нормативных требований к ограждающим конструкциям. Представлено краткое описание нормативных документов, которые устанавливали такие требования в дореволюционный период, в период существования Советского Союза, периода современного Российского государства. Показано, как менялись и трансформировались расчетные формулы, термины, размерности физических величин. Из представленного исторического экскурса следует, что на пути изменения нормативных требований в основном преобладал эволюционный подход, но находили место и революционные изменения.

На основании проведенного экскурса, а также обзора последних публикаций автором предложено нормативное требование к ограждающим конструкциям, основанное на необходимости выполнения санитарно-гигиенических условий, но позволяющее корректировать базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче с учетом региональных, климатических и экономических условий района строительства. Сущность предложенного принципа заключается в следующем: наименее неблагоприятное расчетное сопротивление теплопередаче, рассчитанное с учетом влияния мостиков тепла, наличия пустот и иных дефектов, допущенных при монтаже теплоизоляции в составе ограждающих конструкций, не должно быть ниже требуемого сопротивления теплопередаче, определяемого исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий с учетом региональных, климатических и экономических условий района строительства и с введением соответствующих поправочных коэффициентов.

Библиографический список

1. Табунщиков Ю.А. В поисках истины // АВОК, № 6, 2014, с. 4-9.

2. Крышов С.И., Курилюк И.С. Опыт ГБУ ЦЭИИС по инструментальному контролю показателей энергетической эффективности вводимых в эксплуатацию жилых и общественных зданий // В сборнике трудов международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ». – Москва – Кавала, 2014, с. 131-138.

3. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство, № 5, 2009, с. 297-305.

4. Горшков А.С., Рымкевич П.П., Ватин Н.И. К вопросу о теплотех­нической однородности двухслойной стеновой конструкции // Энергосбережение, № 7, 2014, с. 58-63.

5. Горшков А.С., Рымкевич П.П. Теплотехническое моделирование двухслойной стеновой конструкции с облицовочным слоем из лицевого кирпича // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, № 11 (190), 2014, с. 18-21.

6. Горшков А.С. Обзор нормативных требований к ограждающим конструкциям зданий: от урочного положения до 1995 года // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века, № 3-4 (206-209), 2016, с. 41-44.

7. Горшков А.С. Об окупаемости инвестиций на утепление фасадов существующих зданий // Энергосбережение, № 4, 2014, с. 12-27.

8. Горшков А.С., Рымкевич П.П., Немова Д.В., Ватин Н.И. Методика расчета окупаемости инвестиций по реновации фасадов существующих зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений, № 2 (17), 2014, с. 82-106.

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

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

11. Горшков А.С., Рымкевич П.П., Немова Д.В., Ватин Н.И. Экономическая эффективность инвестиций в энергосбережение // Инженерные системы. АВОК – Северо-Запад, № 3, 2014, с. 32-36.

12. Горшков А.С., Рымкевич П.П. Методика и пример расчета окупаемости инвестиций при реализации энергосберегающих мероприятий в строительстве // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, № 9 (188), 2014, с. 40-45.

13. Горшков А.С., Рымкевич П.П., Романова А.А. Методика расчета прогнозируемых сроков окупаемости мероприятий по утеплению зданий // Технико-технологические проблемы сервиса, № 4 (30), 2014, с. 68-74.

14. Дмитриев А.Н., Табунщиков Ю.А., Ковалев И.Н., Шилкин Н.В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005, – 120 с.

15. Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Оценка экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия // АВОК, № 7, 2005, с. 10-21.

16. Данилевский Л.Н. Принципы проектирования и инженерное оборудование энергоэффективных жилых зданий. – Минск: ­Бизнесофсет, 2011, – 375 с.

17. Данилевский Л.Н. Энергоэффективные мероприятия в жилых зданиях: теория и практика // Бюллетень «Строительный ­рынок», № 1, 2014, с. 15-16.

Первые две статьи этого цикла опубликованы в «СМОТ» № 3-4 и № 5-6, 2016 г.