Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки

В. Г. Гагарин, доктор техн. наук, профессор;

В. В. Козлов, канд. техн. наук;

С. И. Крышов, канд. техн. наук, НИИСФ РААСН;

О. И. Пономарев, канд. техн. наук, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко

Натурные обследования конструкций стен с облицовкой из кирпичной кладки

Дефекты, выявленные при тепловизионном обследовании стен

Обследования с использованием тепловизионной техники позволяют выявить некоторые дефекты, допущенные при строительстве зданий. В рассматриваемых конструкциях обнаружены следующие дефекты:

1. Неутепленные (или недостаточно утепленные) участки стен здания (рис. 4).

2. Повышенные теплопотери через некоторые участки сопряжения стены с перекрытием по сравнению с остальными участками, что свидетельствует об ошибках при монтаже данных узлов (рис. 5).

3. Грубый брак в монтаже отдельных узлов (рис. 6).

4. Неутепленные перекрытия под отапливаемыми помещениями, выступающие наружу (рис. 7).

Дефекты теплозащиты были обнаружены почти во всех обследованных жилых домах. Эти дефекты снижают теплозащитные свойства стен против проектных значений. Следовательно, приведенное сопротивление теплопередаче построенных стен рассматриваемой конструкции меньше расчетного значения.

Рисунок 4. Неутепленные участки стены здания, выявленные при тепловизионном обследовании

Рисунок 5. Повышенные теплопотери через некоторые участки сопряжения стены с перекрытием по сравнению с остальными участками, выявленные при тепловизионном обследовании

Рисунок 6. Брак утепления, допущенный при заделке балконной плиты

Рисунок 7. Неутепленное перекрытие под отапливаемым техническим этажом

Оценка сопротивления теплопередаче стен при тепловизионном обследовании

Для экспериментального определения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции в натурных условиях проводятся многосуточные периодические измерения тепловых потоков через ограждение и температур наружного и внутреннего воздуха, а также значений температур на поверхностях ограждения. Затем специальным образом обрабатываются измеренные значения и рассчитывается величина приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Большой вклад в разработку этой методики внес Б. Ф. Васильев [4]. Методика определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций в лабораторных условиях содержится в ГОСТ [5].

Сопротивление теплопередаче, разность температур и плотность теплового потока через ограждение связаны между собой формулой:

где q_S – осредненная плотность теплового потока через фрагмент ограждения.

Таким образом, для определения одного из этих параметров необходимо знание двух других. Тепловизионные исследования позволяют определить, в лучшем случае, распределение температуры по поверхности конструкции, поэтому для обсуждаемой цели они могут быть использованы только в совокупности с традиционными измерениями. Математические модели, которые используются для получения характеристик теплозащиты конструкций только по тепловизионным измерениям, дают правильные результаты лишь в той мере, в которой их базовые предпосылки соответствуют реальности. Таким образом, авторы настоящей статьи сознают, что по данным только тепловизионных обследований невозможно определить с достаточной точностью приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции.

Тем не менее, проведение натурных исследований было ограничено такими временными и организационными рамками, что проведение сколько-нибудь полноценных измерений было невозможно. Поэтому были проведены оценочные расчеты сопротивления теплопередаче стен зданий основываясь на данных тепловизионных обследований. При этом были сделаны соответствующие допущения. Данный метод можно рассматривать только как очень приближенный.

Методика оценки сопротивления теплопередаче стены основана на сравнении теплозащитных свойств стены и стеклопакета. В методике используются следующие положения:

– теплоперенос через ограждающие конструкции стационарный;

– перепад между температурой наружной поверхности ограждающей конструкции и температурой наружного воздуха определяется известной формулой:

(5)

– значения коэффициентов теплообмена, a_н, у поверхности стены и у поверхности стеклопакета одинаковы.

Тогда отношение сопротивлений теплопередаче стены и стеклопакета, выражаемых из формул вида (5), будет равно:

(6)

Отсюда получается формула для оценки сопротивления теплопередаче стены:

 

(7)

где R_{о ст} – сопротивление теплопередаче стены, м²•°С/Вт;

R_{о ок} – сопротивление теплопередаче стеклопакета, м²•°С/Вт;

t_н – температура наружного воздуха, °С;

t_{п ст} – температура наружной поверхности стены, °С;

t_{п ок} – температура наружной поверхности стеклопакета, °С.

Оценка сопротивления теплопередаче проводилась для тех объектов, перед обследованием которых в течение 2–3 суток наблюдалась ровная температура наружного воздуха, что позволяло считать температурный режим стены близким к стационарному.

Стеклопакеты оконных блоков, устанавливаемые в новых домах (к которым относились обследуемые здания), в большинстве случаев имеют сопротивление теплопередаче 0,50–0,52 м²•°С/Вт. Для проведения расчетов принималось R_{о ок} = 0,50 м²•°С/Вт.

Для каждого объекта вычисления по формуле (7) выполнялись для нескольких фрагментов стен (не менее 15). Среднее арифметическое результатов этих вычислений принималось в качестве величины сопротивления теплопередаче стены объекта. Выбор значений температур для подстановки в расчетную формулу несколько субъективен. Соблюдались несколько правил выбора температур по термограммам:

– сравниваемые участки стены и стеклопакета должны находиться рядом друг с другом;

– сравниваемые участки стены и стеклопакета должны быть видны под одним углом;

– сравниваемые участки стены и стеклопакета должны быть представительными, то есть не быть на данной термограмме ни самыми холодными, ни самыми нагретыми;

– температура на стеклопакете должна быть распределена достаточно равномерно;

– при неравномерном распределении температуры по поверхности стены не следует учитывать температурные аномалии, при альтернативе следует выбирать наиболее холодные изотермические участки поверхности стены.

Была проведена оценка значений сопротивления теплопередаче по глади стен для четырех зданий, которые, соответственно, получились равными 1,30; 0,91; 1,68; 1,30 м² • °С/Вт. Несмотря на весьма малую точность использованного метода оценки, можно отметить, что полученные значения значительно ниже требуемых [1]. Значения приведенных сопротивлений теплопередаче будут, соответственно, еще ниже.

Выявленные дефекты теплозащиты при визуальном обследовании стен

Для здания, представленного на рис. 4 и 5, по результатам тепловизионного обследования было получено сопротивление теплопередаче 1,30 м²•°С/Вт. На этом здании произошло обрушение облицовки из кирпичной кладки с участка стены (рис. 8). Получившееся вскрытие стены позволило рассмотреть качество монтажа утеплителя и объяснить низкое значение сопротивления теплопередаче конструкции.

Рисунок 8. Конструкция стены с обрушенной лицевой кладкой. Утепление выполнено с дефектами

Данная конструкция является разновидностью схемы 2 на рис. 1. В качестве утеплителя используется пенополистирол. Отсутствуют какие-либо связи между монолитной стеной и облицовочной кладкой. Утепление конструкции выполнено неудовлетворительно: плиты пенополистирола не закреплены к стене, между плитами и монолитной стеной имеется воздушный зазор, между облицовочной кирпичной кладкой и пенополистирольными плитами имеются воздушные полости. Известно, что кирпичная кладка обладает высокой воздухопроницаемостью и наличие в конструкции воздушных зазоров при неравномерной укладке утеплителя способствует фильтрационным процессам и повышенному конвекционному теплообмену внутри конструкции. В этих условиях изменяются теплопотери как самой стены, так и узла сопряжения стены с перекрытием, что приводит к понижению приведенного сопротивления теплопередаче конструкции.

Вообще, монтаж утеплителя в рассматриваемых конструкциях является проблематичным и далеко не всегда удовлетворительно решается. Часто отсутствуют правила производства работ. Утеплитель никак не прикрепляется к стене, что способствует образованию произвольно расположенных воздушных полостей. На рис. 9 приведены фотографии установленного при возведении стены утеплителя из минераловатных плит. На рис. 9а минераловатные плиты размещают между выполненными кладками. Видно неплотное прилегание к железобетонному каркасу, зазоры между плитами утеплителя и кладками, что приведет к снижению теплозащиты. Несмотря на значительную толщину теплоизоляционного слоя (рис. 9б), некачественная установка утеплителя не позволит получить высоких значений характеристик теплозащиты.

Рисунок 9. Установка минераловатных плит в конструкции, соответствующей схеме 3 на рис. 1. Отсутствует закрепление плит утеплителя, что приводит к снижению теплозащиты

Проведенные натурные обследования эксплуатируемых зданий позволили выяснить реальное состояние конструкций построенных стен с облицовкой из кирпичной кладки и их отличие от проектных решений.

На рис. 10 представлены фотографии вскрытых узлов сопряжения стены (выполненной по схеме 1 на рис. 1) с железобетонным перекрытием. На фотографиях четко видны дефекты, типичные для стен с облицовкой из кирпичной кладки. Эти дефекты приводят к уменьшению теплозащиты конструкции, снижению ее долговечности и к разрушению фасадов.

Рисунок 10. Узлы сопряжения стены с железобетонным перекрытием

1. Вертикальные швы кладки из ячеистобетонных блоков выполнены без раствора, что увеличивает воздухопроницаемость конструкции (фото а и б) и приводит к дополнительным теплопотерям. Кладка из ячеистобетонных блоков местами выполнена из поврежденных блоков, без раствора, что также увеличивает воздухопроницаемость конструкции (фото б).

2. В верхней части кладки из ячеистобетонных блоков по проекту должна находиться упругая прокладка, которая в данном случае выполняется из минераловатных плит. Как видно на фотографиях, в ряде мест эта прокладка отсутствует, и образуется воздушная полость под перекрытием, которая может располагаться от кирпичной кладки до внутренней штукатурки. Это характерно для случая, когда ширина зазора между ячеистобетонной кладкой и железобетонным перекрытием меньше, чем толщина минераловатной плиты (фото а). Если же этот зазор несколько больше толщины минераловатной плиты, то полость образуется между минераловатной плитой и перекрытием (фото б). В обоих случаях в образовавшихся воздушных полостях может происходить интенсивное движение воздуха, вызывающее дополнительные теплопотери.

3. Внутренняя перегородка заходит в кладку из ячеистобетонных блоков, и торец ее не утеплен (фото в). При этом образуется теплопроводное включение, которое не учитывается при расчете теплозащиты конструкции.

4. В горизонтальном деформационном шве упругая прокладка между кирпичной кладкой и перекрытием выполняется не из специального материала «Вилотерм», а из пенополистирола, причем низкой плотности (фото а, б, в). Снаружи эта прокладка закрыта тонким слоем штукатурки. Такое покрытие на пенополистироле не является долговечным, оно быстро разрушается, пенополистирол чувствителен к ультрафиолетовому облучению, которое его разрушает. Вследствие этого через несколько лет деформационный шов раскроется и образуется сплошной воздушный зазор от наружного воздуха внутрь конструкции, при наличии воздушной полости под перекрытием этот зазор может проходить до отделочного слоя в помещении, что повышает теплопотери через конструкцию.

5. При обследовании выявлено, что в некоторых случаях перекрытие выполнено с отступлением от проектных отметок и торец железобетонного перекрытия не выходит на плоскость фасада. В этих случаях торец перекрытия закрывают слоем минеральной ваты, который в свою очередь покрывают тонким штукатурным слоем (фото б). Фактическая толщина такого «выравнивающего» слоя не менее 4 см, что с учетом допусков уменьшает опорную зону облицовки стены вышележащего этажа до 5–6 см и менее. Получающаяся недостаточная площадь опирания является предпосылкой к обрушению кирпичной облицовки фасадов. С точки зрения теплофизики такой дефект также недопустим, поскольку тонкий штукатурный слой, закрывающий минеральную вату, со временем разрушается. Через образовавшиеся щели атмосферная влага попадает в пустоты щелевого кирпича и даже под облицовку, что приводит к разрушению кирпича, увлажнению внутреннего слоя и снижению теплозащиты ограждения. Кроме того, возникают проблемы, обусловленные повышенной воздухопроницаемостью конструкции.

Результаты тепловизионных и визуальных обследований свидетельствуют о наличии многих дефектов в теплоизоляционном слое конструкции, которые приводят к снижению сопротивления теплопередаче конструкций по сравнению с расчетным значением, которое и так меньше требуемого по условиям «энергосбережения». Таким образом, натурные обследования подтверждают низкие значения теплозащитных свойств рассматриваемых ограждающих конструкций.

Некоторые замечания о тепловизионных обследованиях

Следует отметить, что значительная часть зданий, подвергнувшихся натурным обследованиям, была сдана в эксплуатацию после тепловизионного обследования и подтверждения соответствия реального уровня теплозащиты требуемому нормативными документами. Каким образом эти обследования установили указанное соответствие, если нормируется приведенное сопротивление теплопередаче всей стены, которое не определяется непосредственно и может быть вычислено по результатам тщательных и длительных экспериментальных исследований? Если даже и выполнено такое исследование, то как оно могло установить указанное соответствие, когда по проекту расчетное значение этого сопротивления менее требуемого по современным нормам? Приведенное сопротивление теплопередаче всей наружной стены здания является расчетной величиной, экспериментальное определение этой величины для современных зданий требует принятия массы допущений, которые сведут на нет ценность полученных результатов. О подобных «парадоксах» тепловизионных обследований писал В. И. Ливчак [6].

Хочется отметить бессмысленность таких проверок. Отношение к ним со стороны строителей формальное. Выполняются проверки часто специалистами по тепловизионному оборудованию, а не специалистами по ограждающим конструкциям, в результате часть дефектов остается не выявленной. Человек, не знакомый с особенностями работы ограждающих конструкций, может, например, не заметить дефект, изображенный на рис 10б, – наращивание плиты перекрытия по торцу слоем минеральной ваты, на которую «опирается» кирпичная кладка. Тепловизионная съемка здесь показывает, что узел хорошо утеплен (рис. 11), а на самом деле это грубый дефект, приводящий к разрушению конструкции. При помощи тепловизионной съемки нельзя в принципе оценить некоторые дефекты. Например, неутепленный торец внутренней перегородки на рис. 10в абсолютно не отражается на термограмме, поскольку между этим торцом и облицовочной кладкой имеется воздушная прослойка.

Рисунок 11. Тепловизионная съемка не позволяет обнаружить дефектность узла, показанного на рис. 10б

Заключение

Выявленные дефекты показывают, что стеновые ограждающие конструкции с облицовкой из кирпичной кладки обладают целым рядом особенностей, которые должны быть учтены при проектировании. Эти конструкции существенно отличаются от однослойных стен из кирпичной кладки и от многослойных стен, производимых в заводских условиях. Сложные в конструктивном отношении стены монтируются рабочими недостаточной квалификации, при отсутствии правил производства работ, зачастую при недостаточном надзоре и при неправильном контроле качества. При эксплуатации этих стен имеют место сложные тепломассообменные процессы, которые существенно влияют на эксплуатационные свойства.

О теплозащите рассматриваемых ограждающих конструкций

Исследованные стены с облицовкой из кирпичной кладки, как правило, обладают значениями приведенного сопротивления теплопередаче, меньшими требуемого по СНиП [1], но превышающими значение минимально допустимого. То есть они могут применяться только при условии выполнения требований к удельному расходу тепловой энергии на отопление здания. По этому показателю здания с рассматриваемыми стенами удовлетворяют требованиям СНиП [1], что объясняется малой чувствительностью удельных теплопотерь здания к изменению сопротивления теплопередаче стен при его значении большем 1,5 м²•°С (рис. 12). За почти 15 лет не создано рассматриваемых конструкций, удовлетворяющих требованиям СНиП [1] к приведенному сопротивлению теплопередаче. Отсюда следует вывод о целесообразности снижения требуемого сопротивления теплопередаче стен в нормативных документах до реально достижимых значений. Это позволит при проектировании ориентироваться на повышение долговечности ограждающих конструкций, а не на достижение пока нереальных значений приведенного сопротивления теплопередаче. Это позволит также существенно снизить затраты на ограждающие конструкции и повысить их долговечность, что в свою очередь приведет к экономии энергетических ресурсов. После доработки узлов ограждающих конструкций, позволяющих достигать больших значений сопротивления теплопередаче, можно будет поднять и величины требуемых значений.

Рисунок 12. Зависимость теплопотерь через 1 м2 ограждающей конструкции от приведенного сопротивления теплопередаче (расчет по формуле Q = 0,024 (ГСОП / Rо пр , где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С•сут/год; Q – теплопотери за отопительный период через 1 м2 конструкции, кВт•ч/(м2 •год)

О проведении расчетов теплозащиты ограждающих конструкций при проектировании

Полноценные расчеты значений приведенного сопротивления теплопередаче конструкций при проектировании зданий почти никогда не проводятся. Специалистов, способных их проводить, чрезвычайно мало. При разработке проекта «Энергоэффективность» необоснованно используются завышенные значения коэффициентов теплотехнической однородности, по которым и определяются значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждений. Это является основой для иллюзии о достигнутом высоком уровне теплозащиты зданий. Низкие значения коэффициентов теплотехнической однородности современных ограждающих конструкций, которые получаются при грамотно сделанном расчете, являются неожиданностью для строителей и проектировщиков. Даже в нормативных документах содержатся завышенные значения коэффициентов теплотехнической однородности различных конструкций, что свидетельствует о том, что разработчики этих документов не рассчитывали указанные коэффициенты. Из-за заблуждений относительно определения значений теплозащитных свойств ограждающих конструкций не проводится работа по снижению влияния теплопроводных включений. Следует наладить проведение надлежащих расчетов значений приведенного сопротивления теплопередаче конструкций, которые используются при разработке раздела проекта «Энергоэффективность». Научно-техническая общественность не понимает неадекватность призывов к повышению требуемых значений сопротивления теплопередаче наружных стен. Дальнейшее повышение величины требуемого сопротивления теплопередаче стен приведет к усложнению конструкций, снижению качества их выполнения, снижению их долговечности и практически не приведет к уменьшению теплопотерь.

О проверке теплозащиты ограждающих конструкций построенных зданий

Вместо тепловизионных обследований с определением приведенного сопротивления теплопередаче стен целесообразно было бы проводить обследования с целью определения дефектов теплоизоляции, обнаружения непредусмотренных мостиков холода и т. д., то есть определять качество теплозащиты, а не количественные характеристики. Определения количественных показателей теплозащиты можно проводить на отдельных фрагментах ограждающих конструкций зданий силами уцелевших специализированных научно-исследовательских организаций (НИИСФ, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и др.). При сдаче здания в эксплуатацию необходимо предъявлять акты на скрытые работы по качеству устройства теплоизоляции, количеству установленных гибких связей, величины зоны опирания облицовки. Особое внимание следует уделить качеству горизонтального шва под перекрытием (наличие требуемого зазора, утеплителя, герметика).

Следует отказаться от формального подхода к проведению теплотехнических расчетов, проведения тепловизионных обследований и т. д., когда для осуществления этих работ требуются лицензии, сертификаты и другие документы, не имеющие отношения к квалификации специалистов. Органы, выдающие эти документы, сами не обладают специалистами сопоставимой квалификации. Следует признать недопустимым выполнение таких работ лицами, не имеющими соответствующего образования или большого опыта работы с ограждающими конструкциями зданий. Целесообразно использовать схему контроля при строительстве данных конструкций, принятую в практике возведения фасадов.

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

2. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. – М.-Л., 1933.

3. Малявина Е. Г. Строительная теплофизика и проблемы утепления современных зданий // АВОК. – 2009. – № 1.

4. Васильев Б. Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий. – М.:, 1957.

5. ГОСТ 26254-84 (1994). Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

6. Ливчак В. И. Тепловизионное обследование не может заменить тепловые испытания зданий // Энергосбережение. – 2006. – № 5.

 

* В первой части статьи были допущены опечатки. В таблице 1 следует читать: толщина слоя из минеральной ваты 0,18 м (вместо 0,10 м); толщина слоя из пенополистирола 0,15 м (вместо 0,10 м).