6.1.Ограждающие стеновые конструкции
Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зависят от толщины и вида применяемых материалов и характеризуются нормируемым значением сопротивления теплопередаче (R), которое для каждой климатической зоны определяется согласно Своду правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная версия СНиП 23-02-2003). Ниже приводится фрагмент соответствующей таблицы данного СП (табл. 6.1.).
Из таблицы для каждой климатической зоны определяются значения R для стен и окони, используя их и коэффициенты теплопроводности соответствующих материалов (λ, Вт/м*°С ), по формуле:
δ = R * λ (6.1)
рассчитывается толщина (δ, м) каждого слоя и всей ограждающей конструкции и выбирается тип окна.
1. Значения R для величин D, отличающихся от табличных, следует определять по формуле
R = a D + b, (6.2)
где D – градусо-сутки отопительного периода для конкретного пункта, °С*сут;
2. Градусо-сутки отопительного периода D определяют по формуле
D = (tв – tн) z, (6.3)
где tв – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, (20 °С);
tн, z – средняя температура наружного воздуха (°С), и продолжительность отопительного периода (сут), принимаемые согласно Своду правил СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» (актуализированная версия СНиП 23-01-99*) для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 8 °С.
Типы конструкций стен
Согласно Своду правил по проектированию и строительству СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» с теплотехнической точки зрения различают три вида наружных стен по числу основных слоев (рис. 6.1):
– однослойные;
– двухслойные;
– трехслойные.
Однослойные стены выполняют из конструкционно-теплоизоляционных материалов и изделий, совмещающих несущие и теплозащитные функции (рис. 6.1 а).
В двухслойных стенах предпочтительно расположение утеплителя снаружи (рис. 6.1 б). Используются два варианта наружного утеплителя – системы с наружным покровным слоем без зазора и системы с воздушным зазором между наружным облицовочным слоем и утеплителем. Не рекомендуется применять теплоизоляцию с внутренней стороны из-за возможного накопления влаги в теплоизоляционном слое, однако в случае необходимости такого применения поверхность со стороны помещения должна иметь сплошной и долговечный пароизоляционный слой.
В качестве трехслойных стен в современном строительстве наибольшее распространение получила слоистая кладка (колодцевая кладка – рис. 6.1 г), которая представляет собой конструкцию наружных стен, в которой утеплитель (минеральная вата, ячеистый бетон, пенопласт и т.д.) монтируется между несущей стеной и наружной облицовкой. При этом минеральная вата и пенопласт устанавливаются на точечных (гибких, шпоночных) связях. Толщина утеплителя рассчитывается, исходя из свойств самого утеплителя, теплопроводности стенового материала и климатической зоны строительства, с учетом теплопроводных включений от связей. Например, слой минеральной ваты толщиной 10 см соответствует по теплопроводности кирпичной стене толщиной 1,5 метра.
В общем балансе тепловых потерь наружная теплоизоляция оказывается более эффективной, чем внутренняя, за счет уменьшения фактора теплопроводящих включений («мостиков холода»). В случае устройства теплоизоляции снаружи толщина слоя утеплителя может быть на 25–35 % меньше, чем при внутренней теплоизоляции. Еще одним преимуществом наружной теплоизоляции является возрастание теплоаккумулирующей способности массивной части стены. Например, при наружной теплоизоляции кирпичных стен, они в случае отключения источника тепла остывают в шесть раз медленнее стен с внутренней теплоизоляцией при одной и той же толщине слоя утеплителя.
По виду устройства наружной облицовки слоистые стеновые конструкции подразделяются на:
– системы со штукатурными слоями, которые предусматривают клеевое или механическое закрепление утеплителя с помощью анкеров, дюбелей и каркасов к несущей части стены с последующим оштукатуриванием;
– системы с облицовкой кирпичом или другими мелкоштучными материалами;
– системы с защитно-декоративными экранами.
Системы с защитно-декоративными экранами выполняют с воздушным вентилируемым зазором между утеплителем и экраном (рис. 6.1 г). По этой причине такие системы утепления называются также вентилируемым фасадом. Подобные конструкции широко используются как при новом строительстве, так и при реконструкции эксплуатируемых зданий.
Слоистая кладка позволяет снизить вес здания, нагрузку на его фундамент, а, следовательно, сократить расходы на его возведение. Ее преимуществами являются также эстетичный внешний вид и экономия внутреннего пространства помещения при применении конструкции с защитно-декоративными экранами.
В качестве проблем, которые могут сказаться при длительной эксплуатации зданий, можно отметить то, что в настоящее время малоизученным остается вопрос долговечности теплоизоляционного материала при эксплуатации в ограждающих конструкциях. В первую очередь это относится к волокнистым утеплителям и пенопластам. Имеющиеся результаты свидетельствуют о том, что срок службы теплоизоляционного материала из минеральной ваты составляет 25–30 лет. По истечении этого срока начинает возрастать коэффициент теплопроводности. С этой точки зрения особое опасение вызывает слоистая кладка стен с расположением утеплителя внутри двух ограждающих элементов (несущего и ненесущего) из кирпичной кладки. За счет старения и деструкции в течение первых 10 лет эксплуатации утеплитель теряет около трети своих теплосберегающих свойств. Отрицательную роль зачастую играет также низкое качество укладки утеплителя из-за сложности производства работ и низкой квалификации рабочих. И заменить утеплитель без разбора части кладки будет невозможно, вследствие чего подобная конструкция обслуживанию не подлежит. При этом такая стеновая конструкция, по сравнению с однородной, проигрывает в прочности и надежности. Гибкие связи и кладочная сетка не обеспечивают в должной мере прочность и надежность трехслойной стеновой конструкции, свойственной сплошной кирпичной кладке.
6.2.Оконные конструкции
Окна остаются наиболее уязвимым местом в ограждающих конструкциях, несмотря на их постоянное совершенствование. В обычных деревянных окнах с двойным остеклением через их неплотности в жилые комнаты поступает наружный воздух с кратностью обмена 0,5 за 1 час. Однако со временем в таких окнах могут образовываться различные щели, в результате чего возникает излишняя инфильтрация (инфильтрация – неорганизованная естественная вентиляция). Это приводит к увеличению годовых потерь тепла в помещениях в 4 раза при увеличении кратности воздухообмена до двух. Таким образом через окна из помещений уходит до 40 % тепла. Поэтому одним из важнейших направлений энергосбережения в жилых и общественных зданиях является замена в них устаревших окон и дверей.
Современные окна, предлагаемые рынком, отличаются большим разнообразием. По применяемым для изготовления оконных блоков материалам они подразделяются на деревянные, пластиковые, металлические и металлопластиковые. По виду остекления окна бывают остекленные одинарным или двойным листовым стеклом и стеклопакетами. В зависимости от способа открывания створок окна делятся на створчатые, откидные, поворотно-откидные и раздвижные. Для оценки теплозащитных характеристик оконных конструкций, как и для стен, принято нормируемое значение сопротивления теплопередаче для различных климатических зон. На значение сопротивления теплопередаче окна влияют:
– поперечное сечение рамы и створок;
– тип материала, из которого изготовлен оконный блок;
– тип остекления и наличие селективного покрытия стекла и инертного газа в стеклопакете;
– количество контуров уплотнителей и т.д.
Низкие теплозащитные свойства окон приводят к возможности появления конденсата на них или в зоне их примыкания к откосам. Причем это может происходить не только вследствие низкого сопротивления теплопередаче конструкции окна, но также из-за плохого уплотнения стыков рамы и створки.
Надо также иметь в виду, что следствием установки герметичных окон в большинстве случаев становится нарушение воздухообмена в помещениях зданий, где традиционно проектируется система естественной вентиляции. Из-за пониженной воздухопроницаемости притворов окон в пластмассовых и клееных многослойных деревянных переплетах, а также высокой герметизации примыкания окон к стенам происходит недостаточный воздухообмен, и, как следствие, возникает повышенная влажность в помещениях. Увеличение влажности воздуха в помещении вынуждает часто открывать форточки, а это на 50–70 % снижает заложенный эффект повышения теплозащитных качеств окон. Поэтому некоторые модели современных оконных конструкций оснащаются регулируемыми приборами вентилирования (вентиляционными клапанами, поворотно-откидными устройствами с фиксаторами), которые могут обеспечить любой вариант проветривания помещения по желанию пользователя.
Таким образом, внедрение современных энергоэффективных окон без конструктивного решения всего оконного проема с учетом конвекции и организации воздухообмена зачастую приводит к обратному эффекту, т.е. к снижению теплозащитных качеств окон в условиях эксплуатации и ухудшению условий для проживания.
Пластиковые окна из поливинилхлорида не коробятся на солнце, не боятся мороза и влаги, соответствуют экологическим требованиям. Но у них имеется существенный недостаток – невысокая прочность. Поэтому окна из ПВХ армируют металлическими вставками, что повышает их материалоемкость и несколько ухудшает теплозащитные свойства, хотя использование особого сечения профилей обеспечивает необходимые теплоизолирующие свойства.
Существует еще одно направление, в котором современные технологии открывают новые возможности модернизации окон, – нанесение на стекло теплоотражающего покрытия, которое прозрачно для видимой части спектра дневного света, но в то же время характеризуется высоким коэффициентом отражения в тепловом диапазоне излучения, направленного изнутри наружу. Применение, например, в двухкамерных стеклопакетах стекол с селективным покрытием увеличивает приведенное сопротивление теплопередаче оконных блоков от значений 0,51 м2×0С/Вт для стеклопакетов из обычных стекол до 0,58–0,68 м2×0С/Вт (табл. 6.2). Селективное покрытие стекла может быть твердым или мягким. Твердое покрытие отличает стойкость к любым климатическим воздействиям. Оно наносится пиролитическим способом в процессе производства стекла, при котором распыляемый на стекло раствор выпаривается, и на его поверхности остается прочное покрытие. Мягкое покрытие отличает меньшая стойкость к атмосферным воздействиям, оно наносится в вакуумных камерах методом напыления. Мягкое напыление наносится на поверхность стекла только внутри стеклопакета, а твердое – как внутри, так и снаружи. В скандинавских странах и Финляндии, где вопрос сохранения тепла в помещениях стоит не менее остро, чем у нас, этот продукт используют в остеклении порядка 90 % жилых и общественных зданий.
Эффективным методом снижения энергетических потерь в зданиях является выбор оптимальной площади оконных проемов, так как на окна приходится до 50 % теплопотерь в зданиях. Существенную роль в этом играет степень остекленности фасадов зданий. При проектировании оконных проёмов обычно исходят из обеспечения нормативной освещенности, функциональных и эстетических требований. При этом оптимальная площадь окон зависит от климатических условий строительства. Для жилых зданий, по данным НИИСФ РААСН, суммарная площадь окон должна быть не более 18 % от суммарной площади всех наружных ограждающих конструкций при R оконменее 0,56 м2*°С/Вт и не более 25 % при его значении более 0,56 м2*°С/Вт.