Строительная теплофизика и проблемы утепления современных зданий

Е. Г. Малявина, профессор кафедры отопления и вентиляции МГСУ, главный специалист по теплотехнике ЗАО «Промстройпроект», лауреат премии НП «АВОК» «Медаль имени В. Н. Богословского»

Строительная теплофизика изучает процессы передачи теплоты, переноса влаги, фильтрации воздуха применительно к строительству. Несмотря на то что наука относится в основном к ограждающим конструкциям здания, на факультете ТГВ МИСИ – МГСУ она всегда читалась силами преподавателей кафедры отопления и вентиляции, а не архитектуры. Наверное, потому, что у нас, отопленцев, свой особый теплотехнический интерес к ограждениям. Дело в том, что от теплотехнических качеств наружных ограждений зависят теплопотери здания – мощность отопительных систем и расход теплоты ими за отопительный период. Что влажностный режим наружных ограждений влияет на их теплозащиту, а следовательно, на мощность систем, обеспечивающих заданный микроклимат здания. Что коэффициенты теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений играют роль не только в расчете общего приведенного сопротивления теплопередаче конструкции, но и в определении температуры на внутренней поверхности этого ограждения, и принимаемое значение a_в = 8,7 м²•°С/Вт­ для ограждений с современной теплозащитой несколько завышено. Эта цифра была введена для оценки теплообмена на внутренней поверхности наружного ограждения, когда разность температуры внутреннего воздуха и этой поверхности приближалась к 4–7 °C. Что «плотные» окна имеют вполне определенное сопротивление воздухопроницанию. И при «плотных» окнах в малоэтажных зданиях до 5 этажей инфильтрацией в расчете теплопотерь можно пренебречь, а в более высоких на нижних этажах она уже будет ощутимой. Что от воздушного режима здания зависит не только наличие или отсутствие инфильтрации, но и работа систем вентиляции, особенно естественных. Что радиационная температура внутренних поверхностей наружных и внутренних ограждений, важнейшая составляющая оценки микроклимата помещений, в основном является производной от теплозащиты здания. Что теплоустойчивость ограждений и помещений влияет на постоянство температуры в помещениях при переменных тепловых воздействиях на них, особенно в современных зданиях, в которых воздухообмен близок к минимальной норме наружного воздуха. Что в помещениях с естественной вентиляцией желательно высокое теплоусвоение внутренних поверхностей ограждений, а при периодическом отоплении для получения более высокой экономии теплоты – низкое. Что понятия внутренней и сквозной теплоустойчивости – разные. И в тех же помещениях с периодическим отоплением сквозная теплоустойчивость должна быть высокой и т. д.

Задача теплотехнического расчета наружного ограждения при проектировании возлагается на раздел проекта «Энергоэффективность», который, как правило, поручается выпускнику факультета «Теплогазоснабжение и вентиляция». Том «Энергоэффективность» как самостоятельный раздел удобен проектировщикам: при разработке рабочей документации томом пользуются архитекторы для определения толщины утеплителя, специалисты по отоплению для принятия конкретных (может быть пониженных по отношению к нормируемым табл. 4 СНиП 23–02–2003) сопротивлений теплопередаче отдельных ограждающих конструкций. По-моему, было бы ошибкой терять тот, надо сказать, небольшой круг специалистов, освоивших специфическую нишу – грамотное утепление здания.

Да, к разделу «Энергоэффективность» есть достаточно претензий, чтобы говорить о необходимости совершенствования его процедуры, но с основной своей задачей – правильного конструирования и теплотехнического расчета сложных современных ограждений – он справляется. Одним из аргументов против существования тома «Энергоэффективность» является утверждение: зачем что-то считать, если строят все равно не по проекту. Думаю, что не по проекту позволено строить далеко не всем. И бороться надо не с разделом «Энергоэффективность», а с практикой возведения зданий с несанкционированными экспертизой ограждающими конструкциями и вводом таких зданий в действие при молчаливом согласии контролирующих органов.

Для стен современных зданий характерно чередование эффективных утеплителей и тяжелых конструктивных слоев, а также наличие теплопроводных металлических связей. Процесс теплопередачи в таких конструкциях трехмерен, так как распределение температуры в них определяется потоками теплоты не только перпендикулярными плоскости стены, но и потоками вдоль плоскости стены. Часто в стенах внутреннее крепление слоев друг к другу выполняется с помощью регулярно уложенных металлических связей. Оценка теплотехнических качеств таких стен зависит от правильности оценки коэффициента теплотехнической однородности конструкции. Коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции r показывает долю, которую составляет приведенное сопротивление теплопередаче ограждения с теплопроводными включениями от условного сопротивления теплопередаче этой конструкции без учета теплопроводных включений. Значение r увеличивается с увеличением коэффициента теплопроводности утеплителя, уменьшением толщины утеплителя, уменьшением диаметра связей и увеличением шага раскладки связей. Правильная оценка величины коэффициента теплотехнической однородности конструкции не возможна без опоры на разработки строительной теплофизики.

К сожалению, многие заказчики оставляют разработку тома «Энергоэффективность» напоследок, когда уже практически готовы другие разделы проекта. И до сих пор довольно часто специалисты, разрабатывавшие раздел «Энергоэффективность» сталкиваются с теплотехническими расчетами, в которых коэффициент теплопроводности материалов принимается в сухом состоянии. Не редко не учитываются цементные швы в кладке ячеистобетонных блоков. Дело в том, что в справочных таблицах в готовом виде дается теплопроводность кирпичных кладок, а для блоков из керамзитобетонов, ячеистых бетонов, полистиролбетонов надо самостоятельно учитывать влияние цементных швов на сопротивление теплопередаче конструкции в целом. Особенно актуальным это стало сейчас, когда стены с эффективным утеплителем за кирпичным фасадом в Московской области запрещены, а делать дорогостоящие вентилируемые или штукатурные фасады инвесторам не по карману. Замену нашли в стене с кирпичным лицевым кирпичом в перевязку с кладкой из ячеистобетонных блоков. Приведенное сопротивление теплопередаче стены при этом ориентируется не на нормируемое значение по табл. 4 СНиП 23–02–2003 «Тепловая защита зданий», а на минимально допустимое сопротивление теплопередаче по п. 5.13 того же СНиП. Теплозащита такого здания предъявляется по показателю удельного расхода тепловой энергии. Стена стала дешевле, но толще. А это приводит к сокращению площади здания, что инвесторам тоже не выгодно. Поэтому архитекторы, конструирующие стену, стараются принять кладку из ячеистобетонных блоков как можно легче и как можно тоньше. При этом игнорируется то, что блоки с плотностью ячеистого бетона 400 кг/м³ плохо держат свою форму и место отколовшихся углов в кладке будет заполнено цементным раствором. Некоторые архитекторы закладывают в проект крупноразмерные (с размерами блока 650 х 450 х 250 мм) блоки плотностью 500 кг/м³. При таких блоках достаточно малое число цементных швов, чтобы сделать ячеистобетонную кладку толщиной 450 мм. Однако не ясно, как такую кладку сложить, когда каждый блок весит не менее 36,6 кг, – только если краном подавать каждый блок. Кстати, в такой стене необходимо коэффициентом теплотехнической однородности учитывать наличие металлических сеток, выполненных из металлических стержней диаметром 4–5 мм и пронизывающих всю стену почти насквозь.

Выходом из создавшейся ситуации могло бы послужить небольшое снижение минимально допустимого сопротивления теплопередаче стен до величины, позволяющей применять стены с толщиной не более 600 мм без применения эффективных утеплителей. Например, уменьшить с 0,63 до 0,6 коэффициент снижения минимально-допустимого сопротивления теплопередаче стен. Для Москвы в жилье это означало бы уменьшение сопротивления теплопередаче с разрешенных 1,97 до 1,88 м²•°С/Вт. Нормы энергопотребления сохранятся. Жилые здания с такими стенами смогут удовлетворить эти нормы только в случае устройства окон относительно небольших размеров и хорошего качества. Проектировщику и заказчику надо дать большую возможность решить, какими мерами им дешевле и проще достичь норм энергосбережения. Поэтому такое небольшое снижение минимально допустимых норм не будет противоречить указу Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики». Этот указ обозначил снижение к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта в нашей стране не менее чем на 40 % по сравнению с 2007 годом.

В этом году ожидается подписание государственного регламента по безопасности в строительстве. Как и обруганные всеми и каждым действующие теплотехнические нормы, те, что готовятся для регламента, обретут свою жизнь в той же глухой тиши умолчания и свалятся на головы проектировщиков и строителей долгожданно, но непредсказуемо. Хочется верить, что авторы регламента не станут резко раскачивать маятник требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений в сторону минимальных гигиенических норм (для Москвы в жилье 1,38 м²•°С/Вт). Не только потому, что это повысит потребность в топливе, увеличит потребность в теплообменниках, отопительных приборах и другой отопительно-вентиляционной технике, но и потому, что домостроительным комбинатам придется вновь перенастраивать свою оснастку.

Правильной оценке теплотехнических характеристик ограждающих конструкций мешает отсутствие достоверной теплотехнической информации о них.

В приложениях к сертификатам соответствия и в технических свидетельствах о пригодности продукции на территории Российской Федерации для однотипных конструкций приводится разный комплекс теплотехнических показателей, но почти всегда недостаточный для того, чтобы уверенно применить предлагаемую конструкцию в проекте. Например, для окон часто не хватает данных об их воздухопроницаемости. Для структурного остекления я вообще никогда не видела ни одного протокола теплотехнических испытаний, что вызвано якобы разной длиной швов в каждом конкретном здании. Длина импостов на один м² в рамном остеклении тоже переменна, но на рамные светопрозрачные конструкции теплотехнические оценки есть, а на структурные проектировщику приходится их рассчитывать самостоятельно, опираясь на теплотехнические характеристики о стеклопакетах и туманные данные производителей о ширине и теплопроводности швов. Дайте воздухопроницаемость шва. Длину проектировщик сам учтет.

Для минеральных ват очень важен такой показатель, как предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале Dw, %. Попросту говоря, это процентное массовое содержание влаги в утеплителе, которое он (утеплитель) может в себя вобрать не разрушаясь. В СНиПе 23–02–2003 этот переписанный из предыдущих редакций СНиПов показатель для минеральных ват равен очень маленькой величине: Dw = 3 %. То есть минеральная вата без деструкции может в себя вобрать влаги выпавшего за зиму конденсата не более 3 % от собственного веса. Выполнив расчет требуемого сопротивления паропроницанию ограждающей конструкции от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации, проектировщик часто приходит к необходимости устанавливать пароизоляцию на внутренней поверхности утеплителя. Против этого резко и дружно выступают строители. Это многодельно и неэффективно. И их аргумент не лишен некоторой обоснованности. Потому что, как правило, пароизоляционный слой протыкается связями, удерживающими фасадную конструкцию на основном слое стены. Пар дырочку найдет, а сконденсировавшаяся влага может навсегда остаться в утеплителе. Особенно если, желая пароизолировать утеплитель, строители оставляют минераловатные плиты в транспортном полиэтиленовом мешке.

Вместе с тем, производители современных каменных ват неоднократно и повсеместно утверждали, что их продукция значительно более долговечна и влагоустойчива, чем предыдущее поколение минеральных ват. Однако, ни мировые лидеры в производстве минват, ни наши их последователи почему-то не торопятся подтверждать протоколом сертификационных испытаний высокое качество своей продукции, то есть большее, чем 3 % значение предельно допустимого приращения расчетного массового отношения влаги Dw. Вот и приходится в ответ на требования надзорных организаций, сделав расчет влажностного режима ограждения, ставить пароизоляцию там, где нет особой уверенности в ее необходимости. Вероятно, те, кто продает свою продукцию по всему миру (а там ни о каком предельно допустимом приращении расчетного массового отношения влаги Dw никто не слышал), не могут понять, что этой России опять надо. А нам надо в проектировании учесть особенности своего климата – что в нашу холодную длинную зиму внутри минераловатных плит может выпадать относительно много влаги. И мы хотим быть уверенными, что каменная вата действительно не скукожится до лета, когда она должна высохнуть.

Иногда архитекторы и строители предлагают утеплять подвальные помещения изнутри. Часто это обосновывается доведенным до абсурда требованием заказчика применять в проекте только негорючие материалы, в том числе не утеплять стены и перекрытия в грунте горючим экструдированным пенополистиролом. Да, пенополистирол, кроме того, что горюч, еще и капризный материал, и его нельзя применять вместе с битумом. Но, к сожалению, иногда элементарно не хватает места защищать конструкции в грунте толстыми слоями керамзитового гравия (все остальное очень дорого). Внутреннее утепление не выход, не только потому, что в этом случае надо пароизолировать всю внутреннюю поверхность утеплителя (чтобы он вскорости не отвалился), но и потому, что по примыкающим к наружным стенам перегородкам холод пойдет в помещение. А это и теплопотери, и возможность выпадения конденсата на этих перегородках. А теплопотери по стенам в грунте, кстати, окажутся значительно бóльшими, чем те, что посчитаны по зонам, потому что у железобетона, идущего с поверхности земли в грунт, заметно бóльшая, чем у грунта, теплопроводность. Такие не утепленные снаружи стены и колонны промерзают значительно глубже и быстрее окружающего их грунта. То же самое относится к колоннам, поддерживающим выступающие части здания снизу, в случае, если они с улицы прямиком идут в теплое помещение. Эти колонны, утепленные снаружи вне здания, все равно источник теплопотерь и головной боли из-за возможности выпадения на них конденсата внутри помещения.

Все вышеизложенное подтверждает – теплотехнический расчет должен выполнять специалист-теплотехник, знакомый с перечисленными особенностями расчета и конструированием современных ограждений.