Отопительный сезон-2019: какие ограждения обеспечат вашему дому максимальную теплозащиту

Недавно группой специалистов Тамбовского государственного технического университета были проведены натурные испытания, цель которых - изучение поведения зданий с различными видами широко распространенных в России энергоэффективных ограждающих конструкций на протяжении двухлетнего периода эксплуатации. Итогом этих исследований стала разработка рекомендаций по выбору конструктивных решений зданий с точки зрения их теплозащитных характеристик. Сегодня мы публикуем статью авторов этого исследования.

Актуальность проблемы энергосбережения на данный момент не может вызывать сомнений. Огромное количество ученых по всему миру пытаются решить теоретические и практические вопросы в области защиты окружающей среды, сокращения потребления энергии и повышения энергетической эффективности. Эти вопросы поднимаются на самом высоком уровне, вплоть до международных договоров и конвенций.

Строительство, как одна из самых энергоемких отраслей не может оставаться в стороне от рассматриваемых вопросов. В Российской Федерации, как и во многих других странах, постепенно повышается минимальный разрешенный класс энергетической эффективности возводимых зданий. На сегодняшний день это класс B. Данная тенденция обеспечивает снижение потребления всей энергии: электрической и тепловой. При этом применяются самые передовые подходы и достижения современной науки. В основу обеспечения энергетической эффективности положен аспект создания термически непроницаемой оболочки здания.

В связи с этим важным является решение вопроса выбора оптимальных конструктивных решений ограждений, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность.

На базе Тамбовского государственного технического университета были проведены натурные испытания, целью которых стало исследование поведения зданий с различными видами широко распространенных в России энергетически эффективных ограждающих конструкций. В качестве временного отрезка были взяты два года эксплуатации. Изучались, в первую очередь, теплозащитные характеристики конструкций.

Исследование проводилось на полигоне, состоящем из шести натурных испытательных стендов с различным конструктивным решением ограждающих конструкций. Для сравнения были взяты наиболее часто применяемые при строительстве малоэтажных жилых и общественных зданий ограждающие конструкции - как на территории Тамбовской области, так и в России, в целом. В качестве утеплителя применяли плиты минеральной ваты и экструдированный пенополистирол. Стенды типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 представляют собой модели малоэтажного дома с бесчердачным покрытием, спроектированные так, что тепловые потери происходят преимущественно через стены. Строения испытательного полигона отличаются видом используемых теплоизоляционных материалов и конструктивным решением ограждений, представленных на рисунке 1.

Рисунок 1 – Ограждающие конструкции стен натурных испытательных стендов:

1 – газосиликатный блок марки Д400; 2 – XPS; 3 – штукатурная фасадная система; 4 – минераловатный утеплитель; 5 – система крепления вентилируемого фасада; 6 – керамогранит; 7 – воздушный зазор; 8 – ЦСП; 9 –XPS и деревянный каркас; 10 – ПВХ сайдинг; 11 – минераловатный утеплитель; 12 - XPS и деревянный каркас

В период времени с октября по апрель включительно (в течение отопительного периода) проводились ежедневные замеры температуры наружного воздуха, воздуха внутри испытательных стендов и температуры внутри ограждающих конструкций на различной глубине вблизи внутренней и внешней границы основного теплоизоляционного слоя. В теле конструкции измерения проводились в различных характерных точках - вблизи пола, потолка, в углах и на удалении от них.

В результате наблюдений получены значения потребления энергии на отопление рассматриваемых объектов. В таблице 1 приведены данные ежемесячного потребления тепла для испытательных стендов типа 1.1 и 1.2.

Таблица 1. Сводные данные по потреблению энергии на отопление испытательных стендов типа 1.1 и 1.2 за период с 2017 по 2019 год

Как видно из таблицы, распределение потребления энергии по месяцам и относительная энергетическая эффективность принятых к рассмотрению конструктивных решений год к году сохраняется, что говорит о хорошей сходимости результатов, качестве проведения измерений. Некоторое отклонение в абсолютных значениях обусловлено климатическими особенностями — отопительный период 2018-2019 гг. характеризовался более низкими средними температурами.

На рисунке 2 приведен сравнительный анализ энергопотребления испытательных стендов типа 1.1, 1.2 и 2.2. Данные типы стендов были выбраны для сравнения в силу их наибольшего распространения на рынке.

Из рисунка видно, что кривые энергопотребления имеют идентичную форму и отличаются лишь углом наклона к оси ординат. Горизонтальный участок соответствует летнему периоду, в течение которого отопление не осуществлялось, так же как и кондиционирование воздуха.

Рисунок 2 - Энергопотребление экспериментальных домов типа 1.1,1.2 и 2.2 по итогам отопительных периодов 2017-2018 г. и 2018-2019 г.

Анализируя полученные данные, можно отметить снижение энергетической эффективности от типа 1.1 к типу 1.2 и далее к типу 2.2. Это различие не может быть объяснено разницей величин термического сопротивления ограждающих конструкций. Конструкции подобраны таким образом, чтобы эти значения были максимально близки друг другу. Полученные закономерности, скорее, отражают влияние термической неоднородности ограждений, которая существенно возрастает в том же направлении, что и энергопотребление. Можно сделать вывод, что коэффициенты термической неоднородности, входящие в состав уравнений при определении термического сопротивления конструкции, не в полной мере отражают реально складывающуюся картину.

Для оценки экономических показателей принятых конструктивных решений ограждающих конструкций стен был проведен анализ затрат на материалы и монтаж фасадных систем и конструкций, а также затраты на отопление экспериментальных домов за два отопительных периода с 2017 по 2019 год. В качестве объекта для расчета был выбран двухэтажный дом общей площадью 150 м² (по полу) и площадью утепляемого фасада 168 м².

Технико-экономические показатели ограждающих конструкций с системами фасадными теплоизоляционными композиционными (СФТК) и навесными вентилируемыми фасадами (НВФ), экспериментальные дома тип 1.1 и 1.2 сведены в график № 2. Тариф на электроэнергию принимался равным 2,91 руб/кВт⋅ч, для г. Тамбова (одноставочный тариф).

График № 2 Сводные экономические показатели за два отопительных периода

Технико-экономические показатели ограждающих конструкций из газобетона с СФТК (XPS) и каркасными стенами с минераловатным утеплителем, экспериментальные дома тип 1.1 и 2.2 сведены в график № 3. Тариф на электроэнергию принимался равным 2,91 руб/кВт⋅ч, для г. Тамбова (одноставочный тариф).

График № 3 Сводные экономические показатели за два и пять отопительных периодов

Таким образом, выполненный анализ показывает, что рассматриваемый объект строительства с фасадной системой с СФТК (XPS) по сравнению с НВФ отличается минимальной из рассматриваемых решений стоимостью монтажа, эксплуатации и затрат на отопления здания, экономия достигается уже после двух отопительных сезонов. Преимущества экономических показателей ограждающих конструкций рассматриваемого дома в случае возведения стен из газобетона с СФТК (XPS), по сравнению с каркасными с минераловатным утеплителем, достигается после пяти отопительных периодов.

В целом при проектировании зданий высоких классов энергетической эффективности рекомендуется использовать конструкции с СФТК и плитами XPS, как обеспечивающие максимальную теплотехническую однородность. Следует ответственно подходить к назначению коэффициентов теплотехнической неоднородности, так как рекомендованные в литературе значения не в полной мере отвечают реальным. Применение ограждений с теплоизоляционным слоем из экструзионного пенополистирола приводит к существенному снижению затрат на отопление, а также на эксплуатацию объекта в целом за счет большего прочностного ресурса и долговечности материала [3]. Уточнение этих показателей может стать еще одним вопросом, на который нужно будет найти ответ - при продолжении данных исследований.

Авторы: В.П. ЯРЦЕВ, доктор технических наук, профессор; С.А. СТРУЛЕВ, старший. преподаватель; А.А. МАМОНТОВ, старший преподаватель; И.А. СТРУЛЕВА, магистрант; кафедра «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»