Об энергоэффективности наружного стенового ограждения каркасных зданий

Опубликовано: 02.09.2018

Необходимость осуществления энерго- и ресурсосберегающих мероприятий при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий не подлежит сомнению и обусловлена главным образом сокращением запасов минерального сырья и ископаемого органического топлива и, как следствие, их постоянным удорожанием. Поэтому одной из основных задач, которые сформулированы в концепции развития строительного комплекса Республики Беларусь на 2011–2020 гг., является строительство энергоэффективных жилых домов, объемы которого к 2015 г. намечено довести до 6 млн м2, что составит около 60% от общей площади вводимых зданий. Удельное потребление тепловой энергии на отопление таких зданий не должно превышать 60 кВт•ч на 1 м2 в год и в перспективе до 2020 г. до 30–40 кВт•ч на 1 м2 в год.


Пархоменко И.О. МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ТРУБОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Поставленные задачи нужно решать путем комплексного подхода – применения эффективных систем обеспечения микроклимата и повышения термического сопротивления ограждающих конструкций вновь возводимых и эксплуатируемых зданий, которое, согласно введенным в республике в 2010 г. в действие изменениям в нормы проектирования [1], должно составлять не менее 3,2 м2•°С/Вт.

В постперестроечное время ужесточение требований к термическому сопротивлению наружных ограждающих конструкций обусловило интенсивное строительство в странах СНГ, в том числе и в Беларуси, каркасно-монолитных зданий с наружным стенами, поэтажно опирающимися на диски перекрытий. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт их возведения и эксплуатации, которому посвящен ряд наших статей [2–5].

При строительстве каркасных жилых и общественных зданий в России широкое распространение получила технология, по которой стеновое ограждение выполняется в виде слоистой кладки с защитно-декоративной облицовкой из кирпича и других мелкоштучных материалов. Конструктивное решение многослойных стен с наружной облицовкой кирпичом разработано ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и представлено в рабочих чертежах серии 2.130–8 (выпуски 0 и 1), выпущенной в 1988 г. В ней не было предусмотрено поэтажное опирание наружных стен, а высота зданий со стенами из облегченной кладки ограничивалась 5 этажами. Массовое возведение зданий с монолитным каркасом потребовало новых, более эффективных с точки зрения теплопередачи и адаптированных к требованиям высотного строительства конструктивных решений стенового ограждения. В то же время действующие нормы по проектированию каменных и армокаменных конструкций не содержали указаний по проектированию многослойных стен каркасных зданий, в связи с чем было допущено много ошибок, касающихся устройства температурных и деформационных швов в стеновом ограждении, выбора материалов для каменной кладки. Все это, а также низкое качество работ (следствие дефицита высококвалифицированных каменщиков) при кладке облицовки явились причинами высокой дефектности слоистого стенового ограждения.

В Беларуси стеновое ограждение каркасных зданий, как правило, выполняется в виде одно- или двухслойной кладки, поэтажно опирающейся на диски перекрытий. Кладка однослойных стен обычно ведется из ячеистобетонных блоков на тонких растворных швах с последующими защитно-декоративной облицовкой штукатурным раствором и окраской. Значительно реже возводятся здания, стеновое ограждение которых выполняется двухслойным – из ячеистобетонных блоков с защитно-декоративной облицовкой из кирпича.

Анализ проектных решений теплоэффективных наружных стен, выполненный в России, показал, что традиционные сплошные ограждающие конструкции из ячеистобетонных блоков или легкобетонных камней при толщине стены 500–600 мм возможны лишь в южных районах РФ [6]. В средней полосе требования по необходимому сопротивлению теплопередаче могут быть обеспечены только при использовании слоистых конструкций. Зарубежный опыт также свидетельствует, что в странах с холодным климатом стеновое ограждение, как правило, трех- или даже пятислойное (Канада). В Литве в настоящее время практически все стеновое ограждение возводится трехслойным, при этом нормативное сопротивление теплопередаче по требованию заказчика может достигать 5 м2•°С/Вт.

Необходимо отметить, что способ снижения энергозатрат путем увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций имеет свои ограничения и не всегда оказывается эффективным с экономической точки зрения [7]. Известно, что зависимость теплового потока (q) от сопротивления теплопередаче (R) имеет гиперболическую функцию (рис. 1).

Как следует из рис. 1, при увеличении сопротивления теплопередаче с 0,5 до 1 м2•°С/Вт тепловой поток уменьшится на 46 Вт/м2, а с 2,5 до 3 м2•°С/Вт – всего на 3,1 Вт/м2. Поэтому R = 3,2 м2•°С/Вт, принятое в отечественных нормативных документах, является оптимальным. Его дальнейшее увеличение несколько снизит расходы на отопление, но с учетом высоких затрат на возведение стены не даст требуемого экономического эффекта.

На рис. 2 приведены традиционно применяемые в Беларуси схемы стенового ограждения каркасных зданий с защитной облицовкой кирпичом.

В соответствии с типовой серией, принятой в республике, стеновое ограждение толщиной 500 мм, выполненное из газосиликатных блоков плотностью D400, должно обеспечивать для условий эксплуатации «Б» сопротивление теплопередаче 3,68 м2•°С/Вт. Однако расчеты с учетом типичных теплопроводных включений, характерных для данной конструкции стены, дают более низкие значения сопротивления теплопередаче.

В работе [8] приведен расчет термического сопротивления стенового ограждения, выполненного по схеме (рис. 2, а) с учетом типичных теплопроводных включений (таблица).

В расчетах внутренний слой стены принят из ячеистого бетона толщиной 500 мм плотностью 400 кг/м3. По результатам расчетов для условий Москвы, показатель теплозащиты стены (приведенное сопротивление теплопередаче) при кладке на обычных растворных швах составил всего 1,56 м2•°С/Вт, что в два раза ниже требуемого по условиям энергосбережения 3,2 м2•°С/Вт. Для кладки на тонких растворных швахприведенное сопротивление телопередаче составит около 2 м2•°С/Вт, что также существенно ниже требуемого значения. То есть здание с такими стенами не соответствует современным требованиям по теплозащите.

Рис. 2. Варианты сопряжений лицевого слоя с плитой перекрытия:

1– железобетонная плита перекрытия, 2 – внутренний слой, 3 – утеплитель, 4 – воздушный зазор, 5 – лицевой кирпичный слой, 6 – деформационная прокладка, 7 – керамическая плитка, 8 – вкладыши из пенополистирола

Показанные на рис. 2 конструктивные решения стенового ограждения обладают рядом существенных конструктивных недостатков [9–13]. Прежде всего данные конструктивные решения не обеспечивают непрерывности термоизолирующего слоя по всей высоте. Выходящие на контакт с наружным воздухом диски перекрытий являются мостиками холода, которые «обеспечивают» теплопотери стен более 20%, приводят к образованию конденсата на поверхности стен внутри помещений, что в свою очередь является причиной развития плесени и грибков, отдельные виды которых, как показывают исследования, имеют канцерогенный характер. Декоративная облицовка торцов плит перекрытия керамической плиткой или пиленым кирпичом недолговечна – из-за разности температур расширения керамики и бетона плитка и кирпич начинают отпадать уже в первые годы эксплуатации (рис. 2, а). Снижение теплопотерь путем облицовки торцов перекрытий пенополистиролом небольшой толщины является недостаточным, так как потоки тепла не перекрываются полностью (стрелки на рис. 2, а).

С целью устранения этого недостатка применяются термоизолирующие вкладыши, которые выполняются в краевой части перекрытий методом сквозной перфорации (рис. 2, б). Практика показывает, что такое решение является малоэффективным. Согласно тепловизионным съемкам, проводимым в феврале – марте, по плите перекрытия имеет место температурный пробой, который усиливается за счет влаги, скапливающейся за зиму в утеплителе и воздушном зазоре. Это может быть причиной массированного льдообразования во внутреннем объеме конструкции со всеми вытекающими последствиями.

Кроме того, термовкладыши из хрупкого пенополистирола, особенно при некачественной их установке, контактируют с рабочей продольной и поперечной арматурой плиты, защитный слой бетона которой имеет недостаточную толщину, а порой и вовсе отсутствует. При соприкосновении арматуры с конденсатом, скапливающимся в зоне термовкладышей, а также попадающей атмосферной влагой, возникает коррозия стальной арматуры. Железобетонное сечение консолей с такой арматурой не может отвечать требованиям надежности. При образовании коррозионных трещин в консолях, которые сопровождаются многократными циклами замораживания-оттаивания, разрушительные процессы могут иметь лавинообразный характер[10]. Все эти недостатки в полной мере присущи и однослойному стеновому ограждению.

Рис. 3. Дефекты лицевого слоя: а – свес пустотелого лицевого кирпича в оконных проемах, б – недостаточная ширина горизонтальных деформационных швов, отсутствие утепления плит перекрытия, в – опирание лицевого слоя на тычковый ряд кирпича

На рис. 3 показан пример обследованного нами стенового ограждения строящегося каркасно-монолитного здания с защитно-декоративной облицовкой из пустотелого керамического кирпича.

Применение для облицовки пустотелого кирпича (по сравнению с полнотелым) практически не оказывает влияния на повышение теплозащитных свойств стенового ограждения, более того нерациональное расположение пустот создает в облицовочном слое стены участки с пониженными теплозащитными свойствами и повышенной паропроницаемостью. Это способствует концентрации влаги на внутренней поверхности лицевого слоя, что приводит к его переувлажнению и преждевременному разрушению [9]. Существенным недостатком в рассматриваемом примере является отсутствие вертикальных деформационных швов в лицевом слое и низкое качество междуэтажных горизонтальных деформационных швов. Толщина последних принята равной толщине горизонтальных растворных швов, в то время как с учетом прогибов железобетонных конструкций она должна быть в 3–4 раза большей. Кроме того горизонтальные деформационные швы не совпадают со стыком кирпичей с различной цветовой гаммой (рис. 3, в). Более темные участки из-за большего нагревания их солнцем будут испытывать большие температурные деформации в горизонтальном направлении по сравнению со светлыми участками лицевого слоя. В результате на их контакте возникают дополнительные сдвиговые напряжения. Таким образом, перечисленные недостатки являются миной замедленного действия, которая через определенное время может привести к аварийному состоянию лицевого слоя и необходимости проведения дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ.

Следует отметить, что за рубежом, даже в странах с теплым климатом, опирание лицевого слоя на плиты перекрытия встречается редко. Дело в том, что при таком сопряжении нарушается фундаментальный принцип слоистых кладок: непрерывность по всей высоте здания внутреннего вентилируемого термоизоляционного слоя. В связи с этим интересным представляется решение, используемое в трехслойных стенах в Германии [14],в   котором лицевой слой опирается на железобетонный прогон, соединяемый с перекрытием с помощью арматуры из нержавеющей стали (рис. 4).

Таблица

Удельные теплопотери по глади и через теплопроводные включения

№ п/п Теплопроводное включение Дополнительные удельные теплопотери qдоп (Вт/м2) 1 По глади стены 12,2 2 Вертикальные кладочные швы в стене из ячеистобетонных блоков 0,57 3 Перевязка кладки, армирование, обычные растворные швы 7,4 4 Узел сопряжения стены с перекрытием 5,3 5 Оконные откосы 3,5 6 Узел сопряжения стены с балконной плитой 1,6 7 Узел сопряжения стены с ограждением лоджии 0,25

 

Прогон может изготавливаться из обычного бетона либо керамзитобетона и формуется в процессе бетонирования всего перекрытия. Термовкладыши на толщину утеплителя снабжены анкерующей арматурой и поставляются на стройплощадку в виде готовых заводских изделий. Теплопотери через систему брус-арматура-плита перекрытия в несколько раз ниже, чем при использовании термовкладышей, согласно рис. 2, б. Аналогичные решения используются для сопряжения балконных плит с перекрытием (рис. 5).

Рис. 5. Соединение балконной плиты с железобетонным перекрытием (б), термовкладыш со стержневыми анкерами (а) фирмы «HALFEN-DEHA»

Толщина термовкладыша в таком элементе соответствует толщине основного утеплителя в стене, а металлические анкерные стержни, рассчитанные на восприятие изгибающего момента и поперечной силы, по снижению теплопроводности значительно превосходят железобетонные перфорированные сечения. Приведенные на рис. 4, 5 системы весьма просты, и их производство легко наладить на отечественных предприятиях.

Из анализа конструктивных решений стенового ограждения каркасных зданий можно сделать вывод о том, что наиболее эффективными с точки зрения сопротивления теплопередаче являются слоистые конструкции, в которых утеплитель расположен непрерывно по всей площади стены. Данные конструктивные системы имеют высокий коэффициент теплотехнической однородности. Слой утеплителя может находиться внутри стены за защитно-декоративной облицовкой из кирпича и вентилируемой воздушной прослойкой или снаружи с защитой клеевым составом и декоративной штукатуркой. Последнее решение стенового ограждения имеет один существенный недостаток – низкую долговечность защитно-декоративного покрытия, поэтому его преимущественно следует применять в малоэтажном строительстве. Для энергоэффективных зданий повышенной этажности стеновое ограждение целесообразно выполнять в виде вентилируемой слоистой кладки с защитно-декоративной облицовкой из кирпича или других мелкоштучных материалов.

В заключение необходимо отметить, что в настоящее время в республике проектировать и возводить многослойное стеновое ограждение, согласно требованиям европейских стандартов, не представляется возможным. Причиной этого является отсутствие качественного полнотелого или с невысоким процентом пустотности облицовочного кирпича морозостойкостью не ниже Мрз75–100 и специальных стальных изделий для каменной кладки, регламентируемых стандартами серии EN 845. Данное обстоятельство также сдерживает широкое применение производимых в республике поризованных керамических и керамзитобетонных блоков.

По нашему мнению, для решения задач по энергосбережению в жилищном строительстве, поставленных в концепции развития строительного комплекса Республики Беларусь на 2011–2020 гг., следует выполнить корректировку норм ТКП 45–2.04–43–2006 и разработать адаптированные к местным климатическим условиям типовые технические решения слоистых энергоэффективных стен, соответствующих требованиям европейских норм. Кроме того в республике необходимо наладить производство высококачественного керамического облицовочного кирпича, а также анкерных креплений, кронштейнов, арматурных изделий, удовлетворяющих требованиям EN 845.

Литература

1. Изменение № 1 ТКП 45–2.04–43–2006(02250). Строительная теплотехника. – Введ. 07.01.2009. – 3 с.

2. Орлович, Р.Б., Деркач, В.Н., Найчук, А.Я. Зарубежный опыт возведения наружных стен высотных каркасных зданий // Архитектура и строительство. – 2010. – № 1. – С. 80–82.

3. Орлович, Р.Б., Деркач, В.Н., Найчук, А.Я. Об облицовочном слое слоистых каменных стен // Архитектура и строительство. – 2010. – № 5. – С. 78–85.

4. Орлович, Р.Б., Деркач, В.Н. О вентилируемой воздушной прослойке слоистых каменных стен // Архитектура и строительство. – 2010. – № 6. – С. 75–79.

5. Орлович, Р.Б., Найчук, А.Я., Деркач, В.Н. Анкеровка лицевого слоя в слоистых каменных стенах // Промышленное и гражданское строительство. – 2010. – № 6. – С. 36–39.

6. Боград, А.Я. Рациональные технические решения теплоэффективных наружных стен жилых домов различных конструктивных систем // Строительные материалы. –1999. – С. 2–3.

7. Гагарин, В.Г. Теплофизические свойства современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Сборник трудов II Всероссийской конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций». – СПб, 2009. – С. 33–44.

8. Горшков, А.С., Войков, И.А. Пути повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий // Сборник трудов II Всероссийской конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций». – СПб, 2009. – С. 45–48.

9. Ищук, М.К. Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки. – М.: РИФ «Стройматериалы», 2009. – 360 с.

10. Лобов, О.И., Ананьев, А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий // Жилищное строительство. – 2008. – № 8. – С. 48–52.

11. Гроздов, В.Т. О недостатках существующих проектных решений наружных навесных стен в многоэтажных монолитных железобетонных зданиях // Дефекты зданий и сооружений. – СПб: ВИТУ, 2006. – С. 15–21.

12. Орлович, Р.Б., Найчук, А.Я., Деркач, В.Н. Отечественные и зарубежные технические решения по наружному стеновому ограждению высотных зданий // Архитектура, дизайн и строительство. – 2009. – № 3–4 [43]. – С. 56–57.

13. Слоистые кладки в каркасно-монолитном домостроении. Технологии строительства. – 2009. – № 1 [63]. – С. 7–19.

14. Murauer, T. Edelstahl im zweishaligen Mauerwerk – Sicherheit im Hintergrund // Mauerwerk. – 2006. – № 6. – S. 230–234.

 
rss