Энергоэффективные легкие ограждающие конструкции

В настоящее время в Республике Беларусь приоритетной задачей является наращивание объемов нового строительства, а также проведение реконструкции старого жилого фонда. В условиях высокой стоимости строительства жилья, постоянного роста цен на топливно-энергетические ресурсы необходимо на стадии разработки проектов использовать такие конструктивные решения, которые бы не только отвечали техническим требованиям, но и обеспечивали снижение себестоимости строительства зданий и затрат на их эксплуатацию.

В Республике Беларусь свыше 35% энергоресурсов расходуется на отопление зданий, значительную часть которых составляют жилые здания индустриальной застройки. До 50% тепла в них теряется через наружные ограждающие конструкции. Повышение требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий позволяет снизить расходы на отопление в несколько раз. В соответствии с действующими нормами ограждающие конструкции зданий проектируются с сопротивлением теплопередаче стен 2–2,5 м2·°С/Вт, покрытий – 3 м2·°С/Вт, что ниже современного мирового уровня.

Научно-техническим советом Министерства архитектуры и строительства признано целесообразным увеличение нормативного значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий в зависимости от их назначения до величин, приведенных в таблице.

Однако данное решение не нашло отражения в нормах [1], и на сегодняшний день в республике нормативные показатели сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций несколько ниже даже норм России, обладающей значительным энергетическим потенциалом.

Согласно действующим требованиям, сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции необходимо принимать равным экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче, но не ниже нормативного значения.

Экономически целесообразное сопротивление теплопередаче Rт.эк, м2·°С, в соответствии с требованиями [1] следует определять по формуле (1).

 

,(1)

 

 

где Rт.тр – требуемое сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт, определяемое по формуле (2).

 

, (2)

 

где tв – расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

tн – расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С, принимаемая с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций;

n – коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху;

aв – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2·°С);

Dtв – расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С;

Ст.э – стоимость тепловой энергии, принимаемая по действующим ценам, руб./ГДж;

Zо.т – продолжительность отопительного периода, сут.;

tн.от – средняя за отопительный период температура наружного воздуха, °С;

См – стоимость материала однослойной или теплоизоляционного слоя многослойной ограждающей конструкции, руб./м3;

l – коэффициент теплопроводности материала однослойной или теплоизоляционного слоя многослойной ограждающей конструкции, Вт/(м·°С).

Экономически целесообразное сопротивление теплопередаче учитывает стоимость тепловой энергии на отопление зданий и стоимость теплоизоляционного материала, используемого при устройстве ограждающих конструкций. Чем выше стоимость тепловой энергии и чем ниже стоимость теплоизоляционного материала, тем большее значение экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций необходимо принимать.

На рис. 1 представлены результаты расчетов экономически целесообразного сопротивления теплопередаче наружных стен крупнопанельного жилого здания, для тепловой изоляции которого используются минераловатные плиты производства ОАО “Гомельстройматериалы” различных марок. Стоимость тепловой энергии для населения по состоянию на 1.01.2008 г. составила 36 300 руб./Гкал, для юридических лиц – 108 500 руб./Гкал.

Как видно из диаграммы, в данном случае при использовании недорогих минераловатных плит марок ПЛ-50, ПЛ-75 экономически целесообразное сопротивление теплопередаче наружных стен значительно выше нормативного значения (Rт.норм. = 2,5 м2·°С/Вт). Согласно требованиям, сопротивление теплопередаче стен должно приниматься равным значению экономически целесообразного сопротивления теплопередаче, что составит, например, при использовании плит ПЛ-50 более 5 м2·°С/Вт. Этот показатель не уступает нормативным требованиям зарубежных стран.

Несмотря на эффективность использования экономически целесообразного сопротивления теплопередаче, трудно объяснить получаемые значения данного показателя. Так, при расчете экономически целесообразного сопротивления теплопередаче по существующей нормативной методике учитывается только стоимость утеплителя и не учитывается стоимость конструкции в целом. Очевидно, что выбор утеплителя зависит прежде всего от технического решения конструкций. Например, для легкой штукатурной системы утепления необходимы минераловатные плиты марок ПЖ-150 или ПЖ-175, а для вентилируемых систем возможно применение плит марок ПЛ-75. При низкой стоимости утеплителей, используемых в вентилируемых системах утепления, стоимость конструкций в целом значительно дороже, чем в легких штукатурных системах утепления. Кроме того, данная формула не отражает и такие факторы, как долговечность конструкций, их ремонтопригодность и т.д.

Применение существующей методики при разработке конструкций, к сожалению, в ряде случаев не стимулирует увеличение сопротивления теплопередаче, а напротив заставляет использовать более дорогостоящие утеплители. Например, для обеспечения экономически целесообразного сопротивления теплопередаче при тепловой изоляции стен легкими штукатурными системами утепления с пенополистирольными утеплителями толщина теплоизоляционного слоя в ряде случаев должна быть 11 см, а по противопожарным требованиям толщина пенополистирола для большинства легких штукатурных систем утепления – не более 10 см. Не имея возможности принять такую толщину утеплителя, проектировщик вынужден отказаться от применения пенополистирола и заложить более дорогой минераловатный утеплитель и тем самым снизить сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций до 2 м2·°С/Вт. И в результате, выполняя нормативные требования [1], стоимость конструкции увеличивается при снижении ее теплотехнических характеристик, что ведет к увеличению потерь тепла и соответственно расходов на эксплуатацию зданий.

Величина экономически целесообразного сопротивления теплопередаче прямо пропорционально зависит от стоимости тепловой энергии, которая для жилых и общественных зданий значительно отличается. И при использовании одинаковых теплоизоляционных материалов показатели экономически целесообразного сопротивления теплопередаче различны, что наглядно отражено на рис. 2.

Как видно из графика, показатели экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций для общественных и производственных зданий могут принимать значение выше 10 м2·°С/Вт, что весьма трудновыполнимо.

Целесообразность применения дешевых утеплителей очевидна, так как это приводит к снижению затрат на выполнение строительно-монтажных работ и при этом обеспечивает высокие показатели сопротивления теплопередаче конструкций. В настоящее время использование минераловатных утеплителей марок ПЛ-50 и ПЛ-75 при устройстве наружных ограждающих конструкций ограничено их низкими прочностными характеристиками. Учитывая теплотехнические характеристики данных теплоизоляционных материалов, возникает необходимость в разработке новых эффективных технических решений систем утепления и наружных ограждающих конструкций с их применением.

Производство строительных работ требует значительных денежных средств, поэтому при выборе оптимальных вариантов конструктивных решений возведения зданий и надстроек необходимо учитывать не только технико-экономические показатели (производительность, долговечность, удельную материалоемкость и др.), но и уровень затрат на производство строительно-монтажных работ и их эффективность.

В мировой практике для оценки эффективности инвестиционных проектов используются показатели, отражающие соотношение затрат и полученных результатов. К ним относятся чистый дисконтированный доход, индекс доходности, срок окупаемости и др., которые рассчитываются методами капитализации или дисконтирования. В 1997 г. авторами было предложено выполнять оценку экономической эффективности реконструкции и тепловой изоляции также с использованием данных показателей [2]. В 2006 г. аналогичная методика появилась и в России [3].

В 2007 г. авторами разработаны рекомендации по приведению теплотехнических характеристик многоквартирных домов к требованиям нормативных правовых актов, в которых оценка экономической эффективности выполняется методом капитализации (наращивания) денежных потоков и оценивается по следующим показателям:

– срок окупаемости инвестиций, определяемый как период, за который обеспечивается полный возврат инвестиций в энергосберегающие мероприятия с учетом капитализации доходов, образующихся при экономии энергоресурсов;

– полный капитализированный доход, определяемый как сумма капитализированных доходов, образующихся при экономии энергоресурсов за расчетный период эксплуатации здания после выполнения энергосберегающих мероприятий;

– индекс доходности, определяемый как отношение сумм капитализированных доходов от экономии энергоресурсов к сумме инвестиций (сумма дохода на рубль затрат).

Разработанная методика отличается тем, что она учитывает не только трансмиссионные потери тепла, но и затраты энергии на нагрев воздуха, поступающего через системы вентиляции, бытовые теплопоступления, и может быть использована для оценки экономической эффективности технических решений любых зданий вне зависимости от стоимости потребляемой ими энергии.

Данная методика рекомендуется и для оценки эффективности новых конструктивных решений возведения зданий и надстроек.

При разработке конструктивных решений зданий и надстроек можно использовать традиционные мелкоштучные материалы, но это значительно увеличивает собственный вес конструкций вновь возводимых зданий и делает практически невозможным возведение мансард и надстроек над существующими зданиями. При дальнейшем повышении стоимости энергоресурсов требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций будут повышаться, и применение традиционных материалов станет технически невозможным.

В настоящее время ГП “Институт НИПТИС им. Атаева С.С.” занимается разработкой новых легких наружных ограждающих конструкций для возведения зданий и надстроек, основанных на применении стальных каркасов, профилированных настилов, легких многослойных стеновых панелей и кровельных плит, при изготовлении которых используются дешевые минераловатные утеплители марок ПЛ-50 и ПЛ-75 [4].

Применение данных конструкций позволяет выполнять действующие нормативные требования по обеспечению экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций за счет дешевых теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью.

Для возведения энергоэффективных наружных стен предлагаются стеновые панели с сопротивлением теплопередаче от 4 до 6 м2·°С/Вт (рис. 3, 4). Стеновые панели представляют собой вентилируемые конструкции, изготовленные на основе каркасов из тонкостенных металлических термопрофилей, листовых материалов (для облицовки) с заполнением минераловатными плитами ПЛ-50 или ПЛ-75. При возведении стен стыки панелей на всю глубину будут заполняться эффективным утеплителем, что обеспечит сохранение высокого приведенного сопротивления теплопередаче конструкций. Для наружной облицовки могут быть использованы любые облицовочные материалы, но наиболее перспективно применение негорючих цементных листов с последующей отделкой полимерминеральными составами.

Для энергоэффективных покрытий предлагается использовать кровельные плиты с сопротивлением теплопередаче от 6 м2·°С/Вт и более (рис. 5). Кровельные плиты представляют собой также вентилируемые конструкции из тонкостенных металлических термопрофилей высотой 300–500 мм, листовых материалов с заполнением минераловатными плитами ПЛ-50. Для заполнения стыков между панелями предусматриваются минераловатные вкладыши, закрепленные к стенкам профилей.

Сборка зданий из предлагаемых легких конструкций может производиться как из отдельных элементов на строительной площадке, так и из крупноразмерных панелей и плит, изготавливаемых на заводе или на специально организованном приобъектном стенде.

Производство плит в заводских условиях снизит трудоемкость строительно-монтажных работ, значительно сократит сроки выполнения работ, что непосредственно отразится на затратах на производство и соответственно на показателях эффективности.

Вес предлагаемых конструкций составляет около 100 кг/м2. Это позволяет использовать их при строительстве высотных сооружений и расширяет возможности строителей при устройстве надстроек во время реконструкции существующих зданий. Данные конструкции
могут быть применены и для быстрого возведения сельских домов и коттеджей.

Подводя итоги, можно сказать, что при решении задач наращивания темпов строительства и реконструкции старого жилого фонда предлагаемые легкие конструкции наиболее перспективны. Уже сегодня они позволяют выполнять требования по экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче наружных ограждающих конструкций жилых зданий, превышающему даже 5 м2·°С/Вт.

 

Литература

1. ТКП 45–2.04–43–2006. Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования.

2. Рекомендации по оценке экономической эффективности реконструкции и тепловой модернизации жилых домов / УП “Институт НИПТИС”. Мн., 1997.

3. Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения / ООО ИИП “АВОК ПРЕСС”. М., 2006.

4. Пилипенко В.М. Эффективные конструктивно-технологические решения при реконструкции и возведении зданий / В.М. Пилипенко, Р.В. Кузьмичев // Строительная наука и техника. 2007. № 4. С. 26–32.