Эффективность ячеистых бетонов в ограждающих конструкциях

В статье рассматриваются многоэтажные здания с наружными стенами из ячеистого бетона с позиции количественной оценки теплопотерь в них через ограждающие конструкции, а также за счет инфильтрации, вентиляции (воздухообмена). На примере расчета теплопотерь в здании со стенами из газобетона оценивается влияние на теплопотери изменение толщины стен, плотности газобетона и его равновесной влажности.

В связи с ростом стоимости и дефицитом энергоресурсов ужесточаются требования к энергосбережению в жилых зданиях, которые удовлетворялись механическим увеличением сопротивления теплопередаче глухой части наружных стен. За последнее десятилетие это увеличение составило 250 % (3,5 раза), что привело к утолщению, и следовательно, к удорожанию наружных стен, снижению объемов ввода жилых домов, нехватке стеновых материалов и вяжущих. В то же время, в новых домах с увеличенной теплоизоляцией глухой части наружных стен никакой существенной экономии энергии не установлено.

С выходом СНиПа 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» проектирование домов по теплозащите ведется с учетом теплопотерь через ограждающие конструкции (стены, окна, двери, пол 1-го этажа, чердак) и теплопотерь, возникающих из-за воздухообмена (вентиляции и инфильтрации), а не как рассчитывали прежде: по сопротивлению теплопередаче простенков. В связи с новым подходом к расчету энергоэффективности жилых зданий по средним теплопотерям за отопительный период 1м2 площади сопротивление теплопередаче стен Rreq допускается понижатьдо Rmin=0,63Rreq. Заметим, что для окон (между простенками) допускается принимать Rok<0,1Rreq.

Для того чтобы разобраться со структурой теплопотерь (при соблюдении нормативных лимитов) и определить необходимую толщину стен домов, возводимых с применением ячеистых бетонов, был проведен расчет теплопотерь жилых зданий и выполнен анализ их составляющих.

При расчете рассматривались здания в 12, 14, 17 этажей с наружными поэтажно опертыми стенами, состоящими из газобетонных блоков и облицовки в 1/2 кирпича, а также 10-тиэтажные дома серии 600.11 из газобетонных панелей (производства ДСК-3). Расчеты показали, что в среднем потери тепла через ограждающие конструкции (стены, окна, двери, чердачные и цокольные перекрытия) составляют 50–56 %, а остальные теплопотери (44–50 %) происходят за счет инфильтрации и вентиляции.

Более подробно распределение теплопотерь рассмотрим на примере домов серии 600.11 (рис. 1).

Рис. 1. Дом с наружными стенами из газобетонных панелей серии 600.11, построенный ДСК-3

Дома предшествующих серий (Г и Ги) ДСК-3 начал строить в 1960 г. со стенами толщиной 24 см из автоклавного газобетона марки по плотности D700. Сейчас, учитывая нынешние нормы и требования к сопротивлению теплопередаче наружных стен, их делают из газобетона D600 и толщиной 32 см. Однако если подходить «прямолинейно», без соответствующего осмысления теплопотерь дома, то стены необходимо или делать толще, или дополнительно утеплять теплоизоляционными материалами.

Стены, выполненные из газобетона D600 толщиной 32 см, имеют приведенное сопротивление теплопередаче м2 ?С/Вт при его расчетной равновесной влажности 6 % и коэффициенте теплотехнической однородности элементов полосовой разрезки r=0,95. Принятая влажность по массе 6 % автоклавного газобетона, производимого ДСК-3, установлена на основании многолетних экспериментальных исследований (с 90 %-ной обеспеченностью), выполненных ЛенЗНИИЭПом при участии авторов этой статьи.

Полученное приведенное сопротивление стены м2 ?С/Вт – это установленная НИИ строительной физики нижняя граница (по непонятным соображениям) для Санкт-Петербурга согласно ТСН 21-340-2003 Санкт-Петербург «Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий». Отметим, что эта величина требует стены из полнотелого глиняного кирпича толщиной 1,5 м (6 кирпичей), чего в Санкт-Петербурге никогда не было. Даже в Якутии ( ) стены имели толщину в 3 кирпича. Тем не менее исходим из этой величины.

Расчет удельного расхода тепловой энергии на обогрев жилого дома за отопительный период выполнялся по методике, изложенной в СНиП 23-02 и этом ТСН. При расчете принимались проектные значения сопротивления теплопередаче других ограждающих конструкций: окон, балконных и наружных дверей, чердачного и цокольного перекрытия, пола подвала. Рассчитывались 10-этажные дома с угловой блок-секцией и линейной. Удельная потребность тепловой энергии на обогрев зданий за отопительный период оказалась на 6–9 % меньше допустимой для нормального по энергетической эффективности здания.

Анализ теплопотерь зданий выявил, что через ограждающие конструкции теплопотери (рис. 2) составляют 48–50 %, а за счет воздухообмена – 50–52 %. Теплопотери через ограждающие конструкции происходят через стены – 22–26 %, через окна – 20–23%, а через остальные конструкции – 3–3,5 %.

Рис. 2. Распределение теплопотерь в многоэтажных домах серии 600.11

Рис. 3. Влияние увеличения толщины наружной стены на теплопотери дома

Из приведенных данных следует, что теплопотери через глухую часть стен незначительно отличаются по величине от теплопотерь через окна, причем площадь окон составляет всего 27 % от площади стен, т.е. удельные теплопотери через окна в 3,2 раза больше, чем через стены.

Рассмотрим, как влияет на теплопотери дома увеличение толщины наружных стен, снижение плотности газобетона и увеличение расчетной влажности.

Увеличение толщины стены, например с 32 см до 40 см, т.е. на 25 %, приводит к увеличению сопротивления теплопередачи на 22 %, а снижению теплопотерь в среднем на 8 % (рис. 3).

При этом расход газобетона, например, линейного дома возрастает примерно на 270 м3 (по стоимости на 1,5 млн. руб.), а площадь квартир уменьшается на 90 м2 (5,5 млн. руб.), т.е. всего потери – 7 млн. руб. Но такое же снижение теплопотерь можно получить, применяя окна и балконные двери с увеличенным приведенным сопротивлением теплопередаче ( ) на 25–30 %, например, заменой окон с м2 ?С/Вт на окна с двухкамерным стеклопакетом в раздельных переплетах с м2 ?С/Вт, что гораздо дешевле. Но в рассматриваемом примере и этого не требуется.

Снижение плотности газобетона с D600 до D500, т.е. на 17 % при w=6 % (рис. 4), приводит к уменьшению теплопотерь в среднем на 3 % , а при снижении плотности до D400, т.е на 34 %, теплопотери уменьшаются на 11 %. Следовательно, снижение плотности газобетона в указанных пределах не дает ожидаемого существенного уменьшения теплопотерь. При этом снижаются прочность, морозостойкость и трещиностойкость газобетона, а также возникают дополнительные проблемы по карбонизации и влажностной усадке.

Рис. 4. Влияние плотности газобетона наружных стен на теплопотери в многоэтажных домах серии 600.11

Повышение плотности газобетона с D600 до D700, т.е. на 17 %, приводит к увеличению теплопотерь в среднем на 8,6 % (рис. 2). Хотя это увеличение теплопотерь не превышает нормативы, но оно является предельным. Кроме того, приведенное сопротивление теплопередаче такой стены меньше допустимого м2 ?С/Вт более чем на 21 %.

С увеличением равновесной влажности (w) с 6 % до 8 % (на 33 %) (рис. 5) теплопотери дома со стенами из газобетона D600 возрастают на 3 %, а со стенами из газобетона D500 – на 2 %. Увеличение w до 12 % (на 100 %) приводит к возрастанию теплопотерь на 9 % и на 5 % соответственно. В конечном счете, теплопотери превышают допустимый уровень всего на 0,5 %, хотя приведенное сопротивление теплопередаче стены менее допустимого м2 ?С/Вт уже при влажности более 6 %. Такие показатели потребности в тепловой энергии указывают на то, что в процессе высыхания стены, уже начиная с влажности газобетона 12 %, дома со стенами толщиной 0,32 м удовлетворяют по теплопотерям нормативным требованиям и не нуждаются в дополнительном утеплении.

Рис. 5. Влияние равновесной влажности в наружных стенах на теплопотери здания серии 600.11

Выводы

1. При проектировании домов необходимо оценивать теплопотери через ограждающие конструкции раздельно (через стены, окна и т.д.), что позволит выбирать наиболее эффективные и экономически целесообразные способы снижения теплопотерь домов.

2. Теплопотери домов можно снижать не только и не столько путем увеличения толщины стены, снижения плотности газобетона или дополнительного утепления стен, сколько путем применения окон и балконных дверей с более высокими показателями теплосопротивления, а также эффективных энергосберегающих систем воздухообмена.

3. Увеличение равновесной влажности газобетона в стенах с 6 % до 12 % не приводит к существенному увеличению теплопотерь.

4. На основании правильного расчета теплопотерь дома можно существенно уменьшить толщину стен (в некоторых случаях в 2 раза и даже более), что позволит увеличить объем строительства жилья, если он лимитируется дефицитом стеновых материалов.

5. Уменьшение расхода материалов на наружные стены влечет за собой существенное снижение себестоимости 1 м2 общей площади дома.