В статье приведен статический расчет и сравнительный анализ конструктивных решений наружной стены жилого дома на показатели энергоэффективности. Установлено, что конструкции несущей стены из тяжелого бетона толщиной 0,250 м (вариант № 1) и несущей стены из легкого бетона толщиной 0,150 м (вариант № 2) отвечают современным требованиям строительства по энергоэффективности (RIΣпр=3,39 и RIIΣпр=3,40 м2·К/Вт при rI=1,02 и rII=1,01 соответственно). При этом конструктивное решение наружной стены с несущим слоем из монолитного легкого бетона позволяет уменьшить конструктивный слой стены на 21%.
УДК 666.965:541.183
В.Б. МАРТЫНОВА, канд. техн. наук, доцент, Г.М. ВАСИЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, доцент, В.В. ТАРАН, канд. техн. наук, доцент, С.В. ЛАХТАРИНА, ассистент, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
Ключевые слова: энергоэффективность, наружная стена, бетон легкий, сопротивление теплопередаче, температурное поле
Keywords: energy efficiency, exterior wall, structural lightweight aggregate concrete, heat resistance, temperature field
Анализ состояния и обоснование актуальности проблемы
Энергетическая эффективность здания – это свойство теплоизоляционной оболочки здания и его инженерного оборудования обеспечивать оптимальные микроклиматические условия помещений при фактических или расчетных потерях тепловой энергии на отопление здания. Удельные теплопотери на отопление зданий qзд должны соответствовать условию:
qзд ≤ Еmax, (1)
где Еmax – максимально допустимое значение удельных теплопотерь на отопление здания за отопительный период, кВт·год/м2.
При выполнении данного условия по формуле (1) допускается применять отдельные конструктивные элементы теплоизоляционной оболочки с пониженными значениями сопротивления теплопередаче до уровня 75% от минимального значения Rqmin для непрозрачных частей наружных стен и до уровня 80% от Rqmin для других ограждающих конструкций согласно условию:
RΣпр ≤ Rqmin, (2)
где RΣпр – приведенное сопротивление теплопередаче, м2⋅К/Вт.
Согласно [1], Донецкая область находится в первой температурной зоне, для наружных стен значение сопротивления теплопередаче принимается равным Rqmin=3,3 м2·К/Вт.
Тепловые потери жилых зданий зависят не только от отношения площади всех наружных поверхностей к объему здания, но и других факторов: общего коэффициента теплопередачи теплоизоляционной оболочки здания (непрозрачная часть здания, окна, наружные двери, фонари, покрытия, цокольные перекрытия, ограждения по грунту); интенсивности солнечной радиации; теплового поступления от бытовых приборов; характеристик систем инфильтрации и вентиляции; площади остекленных поверхностей и ориентации их по сторонам света.
Для Донецкой области нормативные максимальные тепловые потери в зависимости от этажности составляют соответственно 40-55 кВт·ч/м2 для жилых и 12-15 кВт·ч/м2 для общественных зданий [1].
Класс энергетической эффективности здания определяют по разнице в % расчетного или фактического значения удельных тепловых затрат, qзд, кВт·ч/м2 или кВт·ч/м3, от максимально допустимого значения удельных теплозатрат на отопление здания за отопительный период, Еmax, кВт·ч/м2 или кВт·ч/м3.
Классификация зданий по энергетической эффективности представлена в табл. 1 [1].
Таблица 1. Классификация зданий по энергетической эффективности
| Класс энергетической эффективности здания | Разница в % расчетного или фактического значения удельных теплозатрат, qзд, от максимально допустимого значения, Еmax, ((qзд— Еmax)/ Еmax))·100% |
| А (пассивный) | -50 и меньше |
| В (экономный) | от -49 до -10 |
| С (энергосберегающий) | от -9 до 0 |
| D (стандартный) | от 1 до 25 |
| E (энергозатратный) | от 26 до 75 |
| F (самый энергозатратный) | 76 и больше |
В европейских странах класс энергетической эффективности зависит от количества энергии, необходимой на обогрев здания, вентиляцию, подогрев воды, работу кондиционеров и освещения. Этому требованию отвечает стандартный дом класса D (0,75<ЕР≤1) [2].
Здания и сооружения относятся к энергосберегающим пассивным, когда ограждающие конструкции обеспечивают нормативное сопротивление теплопередаче с минимумом теплопроводных включений и герметичностью стыковых соединений, а также с минимальным проникновением и накоплением водяных паров в толще и на поверхности конструкций ограждения в процессе возведения и эксплуатации здания [3]. В то же время ограждающие конструкции должны обладать требуемой прочностью, жесткостью, устойчивостью и долговечностью. Ограждающие конструкции (наружные стены), как и здание в целом, должны вписываться в архитектуру рядом стоящих зданий, удовлетворять требованиям как по эксплуатации и ремонту, так и по экономической эффективности. Результирующая стоимость 1 м2 жилья будет зависеть не только от минимума приведенных затрат, но и от теплофизических характеристик строительных материалов. Очевидно, чем меньше коэффициент теплопроводности строительных материалов, из которых возводится конструкция несущей стены, тем меньше толщина несущего слоя [3], и, как следствие, уменьшается нагрузка на основание и фундаменты, что ведет к сокращению расхода стали при возведении фундаментов. В большей степени это отражается при проектировании и возведении зданий по монолитно-каркасной технологии.
Монолитные здания практически не имеют монтажных швов, что практически нивелирует, снижает проблемы со стыками и их герметизацией (мостики холода), вследствие чего повышаются теплотехнические показатели здания. Монолитная технология позволяет возводить здания повышенной этажности и различной конфигурации как по горизонтали, так и по вертикали, формировать объемные ячейки, а также большие пролеты за счет перехода к неразрывным пространственным системам. Планы зданий могут иметь криволинейную и уступчатую конфигурацию.
Целью настоящей работы является исследование и сравнение показателей энергоэффективности конструкций несущих наружных стен с монолитным слоем из тяжелого и легкого бетонов.
Характеристика материалов
В качестве компонентов бетонных смесей приняты: портландцемент ПЦ І-500Н (активность 525 кгс/см2; нормальная густота 25%); минеральная добавка: микрокремнезем MAPEPLAST SF (содержание SiO2>85%; удельная поверхность – 25 м2/г); химическая добавка: суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата Melflux 5581 F; крупный заполнитель плотный: щебень гранитный фракции 5-10 мм (насыпная плотность
1470 кг/м3); крупный заполнитель пористый: дробленый керамзитовый гравий фракции 5-10 мм; мелкий заполнитель плотный: песок кварцевый (модуль крупности 2,0; насыпная плотность 1408 кг/м3); мелкий заполнитель пористый: песок керамзитовый (насыпная плотность 508 кг/м3). Запроектирован [4, 5] состав конструкционного легкого бетона со следующими показателями: средняя плотность ρ0=1800 кг/м3, предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения Rсж=55,5 МПа, модуль упругости Eb=33,3 ГПа, коэффициент конструктивного качества ККК=30; коэффициент теплопроводности λр=0,80 Вт/(м·К).
В качестве расчетной конструктивной схемы приняты два варианта сопряжения наружной стены с перекрытием. В первом варианте несущий слой – монолитный железобетон, во втором – монолитный легкий железобетон. Для обоих вариантов в качестве утеплителя приняты плиты негорючие теплоизоляционные базальтоволокнистые; отделочный слой – цементно-песчаная штукатурка. Расчетная конструктивная схема наружной стены представлена на рис. 1. Физические свойства строительных материалов, используемых для устройства наружной стены, представлены в табл. 2.
Таблица 2. Физические свойства строительных материалов наружной стены
| № п/п | Наименование строительного материала | Толщина, σ, м | Средняя плотность,ρо, кг/м3 | Коэффициент теплопроводности, λр, Вт/(м·К) |
| 1 | Цементно-песчаная штукатурка | 0,05 | 1600 | 0,81 |
| 2 | Плиты негорючие теплоизоляционные базальтоволокнистые | 0,175 | 40 | 0,059 |
| 3 |
Монолит: I вариант – тяжелый железобетон II вариант – легкий железобетон |
0,250 | 2530 | 2,04 |
| 0,150 | 1800 | 0,80 |
Изложение основного материала исследований
С помощью программы Structure CAD® 11.5 выполнен статический расчет для жилого дома конструктивной схемы типовой серии 87.
Расчетная схема представляет собой систему стержневых элементов с двумя наружными и внутренней (несущими) стенами. Шаг несущих стен 6 м. Рассматриваем участок секции шириной 1 м. Вертикальные стержни моделируют работу наружных стен и имеют размеры расчетных сечений 1000×250 мм и 1000×150 мм для двух вариантов. Нагрузки в расчете приняты согласно [6, 7].
В результате статического расчета получены внутренние усилия. Для каждого варианта принято минимально допустимое армирование в соответствии с конструктивными требованиями, предъявляемыми к железобетонным внецентренно нагруженным элементам, согласно [8, 9]. По внутренним усилиям определены уровни напряжения с учетом принятого армирования. Согласно статическому расчету, конструктивным требованиям и пожаробезопасности жилого дома [8-11] для варианта 2 принята несущая наружная стена из легкого бетона толщиной 0,15 м. Максимально возможное количество этажей жилого дома – 17. При увеличении процента армирования в бетоне возникают напряжения, превышающие прочность материала. Для варианта 1 количество этажей жилого дома не должно превышать 23-х, с учетом градостроительных требований. Результаты статического расчета для двух вариантов приведены в табл. 3.
Таблица 3. Сравнение результатов статического расчета жилого дома
| Вариант № 1 | Вариант № 2 | |||||||||||
| Этаж дома | N, кН | M, кНм | арматура | коэффициент напряженного состояния | процент армирования | масса арматуры на 1 м3 бетона, кг | N, кН | M, кНм | арматура | коэффициент напряженного состояния | процент армирования | масса арматуры на 1 м3 бетона, кг |
| 23 | 29,6 | 9,81 | 5∅8 | 0,41 | 0,11 | 3,94 | — | — | — | — | — | |
| 30 | 10,6 | |||||||||||
| 17 | 225 | 8,6 | 0,48 | 35 | 24 | 5∅12 | 1,0 | 0,471 | 59,2 | |||
| 224 | 3,2 | |||||||||||
| 8 | 584 | 8,4 | 0,59 | 490 | 33 | 7∅16 | 0,94 | 1,172 | 147,2 | |||
| 426 | 14,7 | |||||||||||
| 1 | 803 | 8,7 | 0,65 | 904 | 42 | 10∅18 | 1,0 | 2,12 | 266,2 | |||
| 834 | 6 | |||||||||||
Приведенное сопротивление теплопередаче рассчитывалось для каждого варианта с помощью численного моделирования температурных полей с использованием программы Therm 7.0. Данный метод сечений позволяет учитывать в полной мере влияние всех теплопроводных включений и дополнительных тепловых потерь через участки конструкции, а также отражает трансмиссионные потери теплоты через наружную стену.
Алгоритм расчета приведенного сопротивления теплопередаче заключается в следующем [12].
1. Устанавливаются геометрические размеры конструкции (выделяются участки по внутреннему обмеру размером 1 м).
2. Устанавливаются значения теплопроводности каждого конструктивного слоя [1].
3. Назначаются расчетные значения температур (внутренняя tв=20°С, наружная tн=-22°С) и коэффициентов теплоотдачи поверхностей. На сечениях конструктивных слоев условия считаются адиабатическими.
4. По программе Therm 7.0 определяется значение теплового потока U, Вт/(м2·К).
5. Приведенное сопротивление представляет собой усредненное значение для выбранной плоскости и может быть найдено по формуле:
(3)
Результаты расчетов представлены на рис. 2 и в табл. 3.
На рис. 2 приведенные температурные поля свидетельствуют о преимуществе утепления с внешней стороны, когда линии равных температур расположены параллельно поверхностям стены. Анализ полученных результатов согласно расчету показывает, что значительные стоки теплоты не наблюдаются по неоднородности конструкции, что связано с оптимальным подбором толщины утеплителя для двух вариантов конструкции.
Таблица 3. Приведенные сопротивления теплопередаче наружной стены жилого дома
| Вид конструкции наружной стены | Нормативное сопротивление теплопередаче, Rqmin, м2·К/Вт | Тепловой потокU, Вт/(м2·К) | Коэффициент термической однородности, r | Сопротивление теплопередаче, м2·К/Вт | |
| по основному полю, RΣ | приведенное, RΣпр | ||||
| Монолитный несущий слой из тяжелого бетона | 3,3 | 0,29 | 1,02 | 3,39 | 3,45 |
| Монолитный несущий слой из легкого бетона | 3,3 | 0,29 | 1,01 | 3,40 | 3,45 |
Приведенное термическое сопротивление теплопередаче составляет: для I варианта RΣпр=3,45 при толщине наружной стены 0,475 м и для II варианта RΣпр=3,45 м2·К/Вт
при толщине наружной стены 0,375 м. Коэффициент термической однородности для I варианта составляет r=1,02 и для II варианта r=1,01. Полученные значения соответствуют требованиям [1, 13], в которых рекомендуется принимать коэффициент термической однородности не менее 0,7. При этом характер распределения теплового потока одинаков. Температура поверхности несущего слоя стены в местах сопряжения с монолитной плитой перекрытия внутри помещения составляет 19,6°С для I и II вариантов. Перепад между температурой воздуха внутри помещения и приведенной температурой внутренней поверхности конструкции наружной стены, Δtпр,°С, составляет 2,4°С, что не превышает допустимого значения Δtсг,°С=4°С [1], а значит, обеспечивает энергоэффективность и, соответственно, внутренний климатический комфорт помещений жилого монолитного дома. Кроме того, толщина наружной несущей монолитной стены из легкого бетона снизилась на 21% по сравнению со стеной из тяжелого бетона при обеспечении энергоэффективности здания. Это обусловливает уменьшение себестоимости жилого дома по одному из основных показателей – стоимость возведения каркаса здания, а значит, снизит стоимость возведения 1 м2 монолитного каркаса здания.
Выводы:
Конструктивные решения наружной стены и перекрытия для двух вариантов жилого монолитного домостроения отвечают современным требованиям строительства по показателям энергоэффективности (RIΣпр=3,39 и RIIΣпр=3,40 м2·К/Вт при rI= 1,02 и rII= 1,01 соответственно). При этом конструктивное решение наружной стены с несущим слоем и перекрытием из монолитного легкого бетона (II вариант) позволяет уменьшить конструктивный слой стены на 21%, что, в свою очередь, отразится на снижении сроков возведения конструкций за счет снижения материалоемкости (в части бетона) и механоемкости. Это существенно снизит стоимость 1 м2 при обеспечении энергоэффективности монолитного 17-этажного жилого дома из конструкционного легкого бетона.
Библиографический список
1. ДБН В.2.7-31:2006. Теплова ізоляція будівель. – Киев: МинБАЖКГ, 2006, – 73 с.
2. Hagentoft С. Arl-Eric. Introduction to building physics. Sweden Student-literature. – Lund, Lund University, 2001, – 422 р.
3. Чурилка А.В. Компания «Теплок» и опыт применения газобетона высокого качества // Технологии бетонов, № 9-10, 2012, с. 35-38.
4. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. Изд. 4-е, перераб. и доп. – М: Стройиздат, 1973, – 287 с.
5. Zaichenko M., Lakhtaryna S., Korsun A. The influence of extra mixing water on the properties of structural lightweight aggregate concrete Procedia Engineering – 2015, – vol. 117, pp. 1036-1042.
6. Зайченко Н.М., Лахтарина С.В., Вешневская В.Г. Конструкционные легкие бетоны с высоким коэффициентом конструктивного качества. Материалы международной научно-практической конференции «Строительство и архитектура – 2015» (г. Ростов-на-Дону, 26-27 ноября 2015 г.), том 2, Редакционно-издательский центр РГСУ, 2015, с. 486-489.
7. ДБН В.1.2-2:2006. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. Минстрой Украины. – Киев, 2006, – 57 с.
8. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР, 1987, – 31 с.
9. ДБН В.2.6-98:2009. Бетонні та залізобетонні конструкції. Основні положення. Мінрегіонбуд України. – Київ, 2009, – 73 с.
10. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения, Минрегион России, 2012, – 161 с.
11. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 69-ФЗ «О пожарной безопасности».
12. БНВ.11-7-2002. Пожарная безопасность объектов строительства. Госстрой Украины. – Киев, 2003.
13. Фаренюк Г.Г Класифікація систем утеплення за експлуатаційними та конструктивними ознаками та порівняльний аналіз їх теплотехнічних властивостей // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка, № 1 (28), 2008, с. 45-53.
14. СНиП II-3-79*. Строительные нормы и правила. – Москва: Стройиздат, 1982, – 40 с.
