Конструкции наружных ограждений и инженерные системы в новых типах энергоэффективных жилых зданий

Ю. Г. Граник, доктор техн. наук, директор по научной деятельности,

А. А. Магай, кандидат архитектуры, заведующий отделом архитектуры жилых и общественных зданий,

В. С. Беляев, канд. техн. наук, заведующий отделом воздушного и теплового режима зданий, ОАО «ЦНИИЭП жилища»

Расчеты и проектные проработки показали, что наружные стены сплошной (однородной) конструкции, в том числе легкобетонные, кирпичные, деревянные и ячеистобетонные не удовлетворяют теплотехническим и экономическим критериям. Как показывает мировой опыт, ячеистобетонные стены могут оказаться экономически целесообразными, ес-ли будут внесены поправки в прил. 3 СНиПа II-3-79* в части приведения расчетной теплопроводности в соответствие с фактически наблюдаемой в эксплуатируемых на протяжении многих лет конструкциях. По данным ЦНИИЭП жилища, НИИЖБ и ряда других организаций, фактическая эксплуатационная влажность ячеистых бетонов зна-чительно ниже установленных СНиПом 12 % для условий А и Б. Это значит, что расчетную теплопроводность ячеистых бетонов следует назначать на существенно более низком уровне. В этом случае толщина наружных ячеистобетонных стен может составлять для центральных регионов России прием-лемую толщину 55–60 см при плотности бетона 600 кг/м³ и ниже.

Следует также сказать, что прил. 3 СНиПа II-3-79* требует корректировки приведенных в нем теплотехнических характеристик ряда материалов, а также включения новых утеплителей, появившихся в последнее время в строительной практике.

Независимо от основного материала стен их конструкция должна быть слоистой с использованием эффективного утеплителя для теплозащиты. Расчеты и практика проектирования показали, что эффективным может считаться утеплитель, теплопроводность которого не превышает 0,08 Вт/(м•К). Необходимо отметить, что выбор эффективных утеплителей для ограждающих конструкций существенно зависит от вида строительства. Для вновь строящихся зданий можно применять эффективные утеплители как на минеральной, так и на синтетической основе.

Говоря о панельных конструкциях, следует отметить, что новым теплотехническим требованиям в полной мере соответствуют только трехслойные панели с гибкими связями или в отдельных случаях с железобетонными шпонками.

Существенно меняется конструкция наружных стен из кирпича. Колодцевая кладка кирпичных стен толщиной 770 мм при использовании утеплителя с l = 0,04 Вт/(м•К) обеспечивает приведенное термическое сопротивление теплопередаче не более 2,85 (м²•К)/Вт, т. е. не удовлетворяет нормативам для большинства регионов страны. Такая стена пригодна для использования при ГСОП <4 500, что относится только к южным регионам страны. Аналогичная слоистая кирпичная стена с гибкими связями обеспечивает теплозащиту, равную 5,05 (м²•К)/Вт, что достаточно практически для всех регионов России. В многоэтажных домах необходимо применять трехслойные кирпичные стены с поэтажно навесным фасадным слоем либо целиком навесные наружные стены.

Проблему утепления стен существующих зданий технически можно решать путем их утепления либо с наружной, либо с внутренней стороны. Выполненные расчетно-аналитические и проектные разработки показали, что устройство дополнительной теплоизоляции здания защищает стену от переменного замерзания, оттаивания и других атмосферных воздействий; выравнивает температурные колебания основного массива стены, благодаря чему исключается появление в нем трещин вследствие неравномерных температурных деформаций, что особенно актуально для наружных стен из крупных панелей; благоприятствует увеличению долговечности несущей части наружной стены; сдвигает точку росы во внешний теплоизоляционный слой, благодаря чему исключается отсыревание внутренней части стены; создает благоприятный режим работы стены по условиям ее паропроницаемости, исключающей необходимость устройства специальной пароизоляции, в том числе на оконных откосах, что требуется в случае внутренней теплоизоляции; формирует более благоприятный микроклимат помещения; позволяет в ряде случаев улучшить оформление фасадов реконструируемых или ремонтируемых зданий; не уменьшает площадь помещений; обеспечивает возможность утепления зданий без создания дискомфортных условий проживания или выселения жильцов.

Переход на новые теплотехнические нормативы не сопряжен со значительным удорожанием стен вновь строящихся зданий. В панельных конструкциях это достигается за счет замены дорогого керамзитобетона более дешевым тяжелым бетоном, а в кирпичных стенах – за счет уменьшения их толщины. При этом имеет место небольшое удорожание наружных стен на 0,5–1,5 %. Однако экономия тепла составляет 30–35 %.

Стоимость утепления наружных стен существующих зданий в значительной степени зависит от принятого конструктивного варианта. Наиболее дешевым является вариант утепления с оштукатуриванием фасадных поверхностей (19 у.е./м² общей площади), при облицовке же кирпичом стоимость работ по утеплению возрастает на 30 %, а при применении декоративных экранов («вентилируемый фасад») стоимость возрастает в 1,8–2 раза (в зависимости от стоимости используемых экранов).

Расчеты показывают, что за счет экономии тепла увеличение единовременных затрат во вновь строящихся зданиях окупается в течение 7–8 лет, а в существующих домах – в течение 12–15 лет.

Применение новых, более теплоэффективных окон и балконных дверей вызывает более существенное удорожание, примерно на 16 у.е./м² общей площади. При этом проблему применения таких окон необходимо решать совместно с проблемой улучшения режима воздухообмена в жилых помещениях.

Поскольку основное охлаждение помещений в зимнее время происходит через щели и неплотности в окнах, повышение их теплозащитных качеств связано с уменьшением воздухопроницаемости за счет применения герметизирующих прокладок. Это, с одной стороны, снижает теплопотери, с другой – уменьшает ниже требуемого количество свежего воздуха, поступающего в помещение. Поэтому необходим переход от неорганизованной переменной инфильтрации к организованному регулируемому притоку наружного воздуха с помощью специальных устройств. Они должны отвечать следующим требованиям:

- отсутствие дискомфорта по температуре и подвижности воздуха в зоне обитания;

- герметичность устройства в закрытом положении;

- термическое сопротивление клапана приточного устройства – не менее термического сопротивления оконного заполнения;

- возможность плавного регулирования во всем диапазоне – от полностью открытого до полностью закрытого положения;

- эстетичность.

Экономии тепла при улучшении воздушного режима помещений при соблюдении указанных выше требований отвечает способ вентиляции помещений через регулируемые вентилируемые окна и вентилируемые наружные стены. Эффект такой вентиляции заключается в том, что наружный холодный воздух, проходя через наружное ограждение, нагревается и выходит в помещение, возвращая часть теряемого тепла.

Технические решения таких светопрозрачных ограждений разработаны в ЦНИИЭП жилища.

Инженерные системы, в существенной степени влияющие на энергетический баланс жилого здания, включают вентиляцию, отопление, горячее водоснабжение и электроснабжение. Экономия энергоресурсов применительно к эксплуатации инженерных систем может быть достигнута либо за счет повышения энергоэффективности систем, либо за счет сокращения потребления энергоресурсов при надлежащем регулировании и контроле за их расходом.

Применительно к системе вентиляции регулирование воздухообмена из жилых помещений в соответствии с необходимыми объемами можно и необходимо осуществлять за счет изменения сквозного сечения вентиляционных решеток. Особенно существенна такая регулировка в многоэтажных зданиях, где тяга в венткамерах значительно изменяется в зависимости от высоты расположения данного помещения. При этом удалять воздух непосредственно из комнат в многокомнатных квартирах не рекомендуется, т. к. нарушается организация движения воздуха в квартире.

Применение утилизаторов вытяжного тепла в многоэтажных жилых зданиях имеет определенные трудности, связанные с их стоимостью и условиями эксплуатации. Поэтому их применение рекомендуется в первую очередь в малоэтажных и одноквартирных зданиях, где они могут быть применены в более простом конструктивном и эксплуатационном исполнении. Для жилых зданий средней и повышенной этажности (начиная с 7-этажных) для утилизации эвакуируемого теплого воздуха более целесообразно применение «теплых чердаков». Такие чердаки не решают полностью вопроса использования тепла вытяжного воздуха, но в то же время позволяют добиться улучшения воздушного и теплового режимов в многоэтажном жилом доме.

Использование вместо естественной вентиляции механической вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования, хотя и позволяет достигнуть стабильного поступления наружного воздуха во все помещения, сопряжено с дополнительным расходом энергоресурсов, усложнением эксплуатации таких систем, дополнительными капитальными затратами. Кроме того, качество воздуха, подаваемого по этим системам в помещения, хуже, чем воздух, непосредственно поступающий с улицы. Поэтому для массового строительства энергоэффективных жилых зданий такие системы нерациональны.

Экономии энергоресурсов в системе отопления жилого дома можно достичь только при применении поквартирных систем отопления с горизонтальной разводкой трубопроводов либо от лестничных стояков, либо от поквартирных теплогенераторов. В этом случае представляется возможным организовать учет, контроль и регулирование жильцами количества потребляемой энергии. В то же время необходимо отметить, что при использовании этих систем остаются не до конца решенными вопросы их повышенной стоимости и ремонтопригодности. Применение поквартирных систем отопления позволяет регулировать (вручную или, при установке соответствующей аппаратуры, автоматически) подачу тепла в комнаты, ориентированные по разным сторонам света (пофасадное отопление).

Применяемые в настоящее время системы холодного и горячего водоснабжения, а также электроснабжения позволяют наладить индивидуальный контроль и учет потребления этих энергоресурсов, что и предусматривается в современных проектах жилых зданий.

Нетрадиционные источники энергии, которые могут быть использованы при проектировании и строительстве энергоэффективных жилых домов, включают утилизацию солнечной энергии, использование геотермальных вод, низкопотенциального тепла верхних слоев земли, грунтовых вод, использование энергии ветра, утилизации тепла сточных вод. И хотя вклад этих источников в тепловой баланс многоэтажных жилых зданий не может быть решающим, они могут внести в него заметный вклад. Так, при эксплуатации экспериментального энергоэффективного жилого дома серии 111-335 (Москва, микрорайон Никулино-2, ул. Академика Анохина, д. 62) было установлено, что за счет утилизации тепла вытяжного воздуха систем вентиляции и использования низкопотенциального тепла грунта с помощью тепловых насосов удалось сэкономить 63 % энергозатрат на горячее водоснабжение.

В малоэтажном строительстве, особенно при строительстве одноквартирных домов, удельный вес нетрадиционных источников энергии может быть еще более значимым.

В заключение ниже приводится прогнозируемая энергетическая эффективность применения разных архитектурно-технических мероприятий в жилых многоэтажных зданиях. Удельный вес каждого мероприятия исчислен применительно к базовому варианту. При внедрении комплекса мероприятий их удельный вес будет соответствующим образом корректироваться:

- компактность жилого дома – 20 %;

- повышенная нормативная теплозащита наружных ограждений – 15 %;

- система воздухообмена и вентиляции: на притоке воздуха – 7–10 %, на вытяжке – 18–20 %;

- система отопления и горячего водоснабжения с учетом и контролем расхода тепла – 15 %;

- электроосвещение – 3–5 %;

- нетрадиционные источники энергии: тепло грунта – 5–10 %, солнечная радиация, ветер – 20 %.