К вопросу оценки энергетической эффективности ограждающих конструкций малоэтажных зданий

УДК 699.86

В.П. ЯРЦЕВ, доктор техн. наук, профессор, А.А. МАМОНТОВ, ст. преподаватель, С.А. СТРУЛЕВ, ст. преподаватель, кафедра «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Ключевые слова: конструктивное решение, кровля, натурный эксперимент, отопительный период, стена, теплоизоляция, энергоэффективность
Keywords: constructive solution, roof, full-scale experiment, heating period, wall, heat insulation, energy efficiency

Статья посвящена критериям оценки энергетической эффективности ограждающих конструкций малоэтажных зданий. Отмечается необходимость учета не только вида теплоизоляционного материала, но и конструктивного решения ограждений. Приводится описание испытательного полигона, включающего экспериментальные модели малоэтажных зданий, отличающихся конструкцией стен и кровли, а также материалом утепления. Представлена схема натурных испытаний экспериментальных домов. Приведены результаты предварительных расчетов величины тепловых потерь через 1 м2 ограждения каждого испытательного стенда.

В последние годы большое внимание уделяется повышению энергетической эффективности, в том числе и в строительной отрасли. Высокая потребность строительства в тепловых и иных ресурсах требует проведения обширных исследований с целью обеспечения решения глобальных вопросов в сфере экологии и энергетической безопасности. Это привело к появлению в открытой печати большого количества научных, просветительских и обзорных работ на данную тематику [1-3].

Авторами данной статьи уже проводились исследования, направленные на оценку энергетической и экономической эффективности применения различных теплоизоляционных материалов в малоэтажных каркасно-панельных зданиях.

Изначально выполнялся сравнительный анализ свойств наиболее распространенных утеплителей: минераловатных плит, плит беспрессового и экструзионного пенополистирола [4]. Критический обзор результатов лабораторных испытаний показал, что каждый теплоизоляционный материал характеризуется определенными достоинствами и недостатками, проявляющимися в разной степени в зависимости от условий эксплуатации. Авторами отмечается, что эффективность применения того или иного теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях должна определяться не только на основании результатов лабораторных испытаний физико-технических характеристик, но и с учетом реальных температурно-влажностных условий его эксплуатации.

С этой целью в течение отопительного периода проводились натурные испытания экспериментального каркасно-панельного дома, построенного в г. Тамбове (рис. 1).

Ограждающие конструкции состоят из деревянного каркаса, внутренней обшивки из листов гипсовой штукатурки, пароизоляционной пленки, теплоизоляционного слоя и внешней обшивки из декоративных цементно-стружечных плит.

В качестве теплоизоляционных материалов применялись плиты экструзионного пенополистирола «­ПЕНОПЛЭКС», плиты беспрессового пенополистирола ПСБ-С М15, минераловатные плиты П-75 с влаговетрозащитной мембраной и без нее.

В ходе испытаний в течение отопительного периода проводились измерения:

– температуры и влажности внутреннего и наружного воздуха, а также теплоизоляционных слоев;

– теплопроводности утеплителей;

– расхода электроэнергии на отопление.

Результаты эксперимента, представленные в работах [5-7], показывают высокую эксплуатационную надежность, энергетическую и экономическую эффективность теплоизоляции из плит экструзионного пенополистирола.

Вместе с тем стены экспериментального дома имели некоторые отличия в их конструктивном решении. В част­ности, в ограждениях, изолированных пенополистирольными плитами, устраивался воздушный зазор, которого не было в стенах с минераловатным утеплителем. К тому же в одной из стен с минераловатными плитами была расположена влаговетрозащитная мембрана. Такие различия могли сыграть определенную роль при оценке энергоэффективности теплоизоляционных материалов.

Очевидно, рациональнее было бы исследовать не только энергоэффективность применения конкретного теплоизоляционного материала, но и конструктивного решения ограждения в целом.

В связи с этим на кафедре «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета группой ученых под руководством доктора технических наук, профессора Ярцева В.П. было принято решение о реализации научно-исследовательского проекта «Повышение энергетической эффективности ограждающих конструкций».

В рамках этой работы на территории университета был организован исследовательский полигон по испытанию строительных материалов и ограждающих конструкций в натурных условиях эксплуатации. Полигон состоит из испытательных стендов шести типов (рис. 2).

Стенды типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 представляют собой модель малоэтажного дома с бесчердачным покрытием, а стенды типов 3.1 и 3.2 – модель чердачного покрытия (рис. 3).

Стены испытательных стендов выполнены в двух конструктивных решениях: бескаркасные (типы 1.1 и 1.2) и каркасные (типы 2.1, 2.2, 3.1, 3.2) (рис. 4).

В стендах с ограждающими конструкциями, выполненными по каркасной технологии, между внутренней обшивкой и утеплителем установлена пароизоляция из полиэтиленовой пленки, а в стендах с теплоизоляцией из минераловатных плит с наружной стороны утеплителя дополнительно установлена влаговетрозащитная мембрана.

Конструктивные решения основания и покрытия испытательных стендов представлены на рис. 5.

Покрытия стендов типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 отличаются друг от друга лишь кровельным материалом, в качестве которого применены ПВХ мембраны. Двускатные кровли, в свою очередь, отличаются видом теплоизоляционного материала (минераловатные плиты «ИЗОРОК» и плиты экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС») и местом его расположения.

В соответствии с планом на выполнение экспериментальных исследований предстоит проведение измерений:

— температуры и влажности воздуха снаружи и внутри натурных стендов;

— температуры теплоизоляционных слоев ограждающих конструкций в характерных точках стен, цокольного и чердачного перекрытий;

— влажности теплоизоляционных слоев ограждающих конструкций в различные сезоны года;

— расхода потребляемой на отопление стендов элек­троэнергии.

Для создания и поддержания в течение отопительного периода требуемой положительной температуры воздуха в стендах установлены маслонаполненные электрические радиаторы «ENGY EN-1305» с термостатом, подключенные к электрической сети через терморегулятор «ТР-12». Расход электроэнергии на отопление фиксируется однофазными электросчетчиками «Энергомера СЕ 101».

Температура и относительная влажность внутреннего и наружного воздуха измеряются посредством погодной станции «Oregon Scientific BAR268HG-w» с дистанционным датчиком, размещенным на теневой стороне стендов.

Для измерения температуры теплоизоляционных слоев используется цифровой мультиметр «DT M838» и термопары открытого типа (ЕТР-01), установленные в характерных точках стен с одинаковой ориентацией по сторонам света (рис. 6).

В каждой плоскости, указанной на рисунке 6, на трех уровнях по высоте (на расстоянии 20 см от пола и потолка, а также посередине высоты) установлено по два датчика. Один из них находится на расстоянии 2 см от внешней, а другой – от внутренней грани теплоизоляционного слоя.

Исследование распределения температур по ограждающим конструкциям в целом, выявление областей с наибольшими тепловыми потерями планируется осуществлять с помощью тепловизионной съемки.

Влажность теплоизоляционных слоев предполагается измерять посредством влагомера.

Все измерения будут проводиться с заданной периодичностью, а результаты фиксироваться в соответствующих журналах наблюдений.

С целью предварительного сравнения энергетической эффективности рассматриваемых ограждающих конструкций выполнялись расчеты тепловых потерь через 1 м2 ограждения в течение отопительного периода. При этом сравнивались только конструкции стен для стендов типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2, т.к. цокольное перекрытие и покрытие у них одинаковые. Для стендов типов 3.1 и 3.2 потери определялись через кровлю, т.к. их цокольное перекрытие и стены полностью идентичны. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Расчетные значения тепловых потерь через 1 м² ограждения испытательных стендов в течение отопительного периода

Тип стенда	Ограждающая конструкция (состав)	Тепловые потери, кВт∙ч
1.1	Стена (газосиликатные блоки, плиты экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС», штукатурный слой)	22,15
1.2	Стена (газосиликатные блоки, минераловатные плиты «ИЗОРОК», воздушный зазор, керамогранитные плиты)	22,26
2.1	Стена (цементно-стружечные плиты, деревянный каркас с плитами экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС», воздушный зазор, ПВХ сайдинг)	35,15
2.2	Стена (цементно-стружечные плиты, деревянный каркас с минераловатными плитами «ИЗОРОК», ПВХ сайдинг)	33,30
3.1	Кровля (ОСП, плиты экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС», металлочерепица по деревянной обрешетке)	22,25
3.2	Кровля (ОСП, минераловатные плиты «ИЗОРОК», металлочерепица по деревянной обрешетке)	24,79

Из таблицы видно, что величина тепловых потерь через стены из газосиликатных блоков с разной системой утепления является одинаковой и на 40% меньше, чем через каркасно-панельные стены. При этом устройство вентилируемого фасада с минераловатной изоляцией и отделкой из керамогранитных плит обойдется заказчику дороже, чем штукатурная отделка по слою плит экструзионного пенополистирола.

Каркасные стены независимо от вида теплоизоляционного материала характеризуются практически одинаковой величиной тепловых потерь. Очевидно, что данные конст­рукции являются менее энергоэффективными. При этом стоимость устройства ограждений такого типа, следует полагать, компенсирует превышение затрат на отопление в сравнении с газосиликатными стенами.

Из рассматриваемых кровельных ограждений меньшей на 10% величиной тепловых потерь характеризуется конструкция, утепленная плитами экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС КРОВЛЯ».

Таким образом, на основе предварительных расчетов можно предположить, что стены из газосиликатных блоков с теплоизоляцией из плит экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС ФАСАД» и декоративной штукатуркой в сочетании с металлочерепичной кровлей, также утепленной плитами из экструзионного пенополистирола «ПЕНОПЛЭКС КРОВЛЯ», будут способствовать наибольшей энергоэффективности здания.

В то же время, как показали выполненные авторским коллективом исследования каркасно-панельного дома, утепленного различными материалами, оценка энергоэффективности ограждающих конструкций является комплексной задачей, требующей детального анализа их фактического температурно-влажностного режима эксплуатации. На это и направлены натурные испытания серии стендов с разными конструктивными решениями ограждений.

Библиографический список

1. Иванцов А.И., Куприянов В.Н. Температурный режим поверхности ограждающих конструкций зданий в климатических условиях РФ / А.И. Иванцов, В.Н. Куприянов // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии, № 3 (19), 2017, с. 44-50.
2. Иванцов А.И., Куприянов В.Н. К разработке методологических основ оценки срока службы многослойных ограждающих конструкций / А.И. Иванцов, В.Н. Куприянов // БСТ: Бюллетень строительной техники, № 6 (982), 2016, с. 34-35.
3. Корниенко С.В. Энергоэффективность, экологическая безопасность, экономическая эффективность – приоритетные задачи «зеленого» строительства / С.В. Корниенко // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура, № 49 (68), 2017, с. 167-177.
4. Ярцев В.П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов, С.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы, № 1, 2013, с. 8-11.
5. Ярцев В.П. Анализ влажности различных утеплителей в ограждающих конструкциях здания при эксплуатации в отопительный период / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Academia. Архитектура и строительство, № 4, 2013, с. 117-119.
6. Ярцев В.П. Оценка энергоэффективности ограждающих каркасно-щитовых конструкций с различными утеплителями за отопительный период / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы, №1 (55), 2014, с. 26-27.
7. Ярцев В.П. Сравнительный анализ эффективности применения утеплителей в каркасном домостроении / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы, №6, 2016, с. 32-35.