Разработка энергоэффективной конструкции наружной стены на основе теплофизических характеристик



Энергосбережение и энергоэффективность зданий приобретают все большее значение в мировой политике и стратегии развития Казахстана. До 40 % теплопотерь в многоэтажных зданиях приходится на наружные стены, что требует эффективных теплоизоляционных решений. В статье анализируется тепловая защита стен и проводится расчет для выбора оптимального утеплителя с учетом энергоэффективности. Подчеркивается важность правильного подбора материалов и конструкций для снижения энергопотребления, что актуально как для Казахстана, так и для всего мира.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, теплопотери, теплофизические характеристики, теплотехнический расчет, теплоизоляция.

Выбор конструкции наружной стены зависит от двух основных параметров: несущая способность и теплофизические характеристики (термическое сопротивление и паропроницаемость).

Тепловая защита зданий необходима для обеспечения безопасной эксплуатации здания с позиции теплового режима помещения и способствующих экономному расходованию энергетических ресурсов. Это достигается совокупностью теплофизических характеристик ограждающих конструкций и системой отопления здания.

Для примера примем здание, построенное в 1970х годах. Конструктивно здание построено из кирпича, толщиной 640мм (2,5 кирпича) и цементно-песчаного раствора толщиной 25мм с наружной стороны зданий, и толщиной 15мм с внутренней (рисунок 1).

Рис. 1. Разрез конструкции наружной стены

Для оценки здания на энергоэффективность, построенного 50 лет назад, был произведён теплотехнический расчет по условиям комфортности наружной стены по нормам того времени и современным. Для этого было определено требуемое термическое сопротивление по формуле (1).

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций определяется по формуле (1), [1, с. 4]:

(1)

где n — коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху, [1, с. 4];

— расчетная температура внутреннего воздуха в , принимаемая по нормам проектирования зданий и сооружений соответствующего назначения;

— расчетная зимняя температура наружного воздуха в ;

— нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции в

, [1, с. 5];

— коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, [1, с. 6];

Определяем величину требуемого термического сопротивления наружной стены по условию комфортности:

(1)

Переводим данное значение в современные единицы измерения, , (переводной коэффициент 1ккал/ч=1,163Вт). Получаем значение:

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций в м ² ·ч· /ккал должно быть не менее сопротивления теплоотдаче , требуемого из санитарно-гигиенических условий. [1, с. 4]. Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций

, м ² ·ч· ⁰ С/ккал определяется по формуле (2):

(2)

где — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, , [1, с. 9];

— термическое сопротивление отдельных слоев ограждающих конструкций, , определяемые по формуле (3):

(3)

где δ — толщина однородной ограждающей конструкции или отдельного слоя многослойной конструкции, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала, , принимай по таблице 1.

Таблица 1

Величины теплотехнических характеристик строительных материалов и конструкций

Наименование материала	Объемный вес в сухом состоянии в	Расчетная величина коэффициента теплопроводности в
Кирпич глиняный обыкновенный, пустотный, легковесный	1800	0,6
Цементно-песчаный раствор или штукатурка из него	1800	0,65

(2)

Переводим данное значение в современные единицы измерения, , (переводной коэффициент 1ккал/ч=1,163Вт). Получаем зачтение:

Так как , то в данной ситуации утеплитель не требуется.

При расчете по нормам 1970-х годов по условию комфортности, кирпичная кладка в 2,5 кирпича не требует дополнительного утепления.

Выполняем расчет требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций по современным нормам по условию комфортности.

Определяем величину требуемого термического сопротивления наружной стены по условию комфортности по формуле (1):

(1)

где n — коэффициент, учитывающий зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху, [2, с. 7];

— нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения в , [2, с. 8];

— коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, [2, с.8];

— расчетная температура внутреннего воздуха в , принимаемая по нормам проектирования зданий и сооружений соответствующего назначения [3, с. 4];

— расчетная зимняя температура наружного воздуха в

, [4, с. 8]

(1)

Определяем сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций , м ² · ⁰ С/Вт по формуле (2):

(2)

— коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, [2, с. 8];

— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности для условий холодного периода, [5, с. 63];

— термическое сопротивление отдельных слоев ограждающих конструкций,

, определяемые по формуле (3):

(3)

где δ — толщина однородной ограждающей конструкции или отдельного слоя многослойной конструкции, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала, , принимаемый по таблице 2, [5, с. 36].

Таблица 2

Величины теплотехнических характеристик строительных материалов и конструкций (норматив 2022 года)

Материал	Плотность,	Расчетный коэффициент теплопроводности ,
Кирпичная кладка из сплошного кирпича глиняного обыкновенного на цементно-песчаном растворе	1800	0,7
Раствор цементно-песчаный	1800	0,76

(2)

, то по современным условиям комфортности требуется утеплитель.

Результаты расчета сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций сведем в таблицу 3.

Таблица 3

Сравнение значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций по старым и новым нормативным документам

Описание	Обозначение	Единица измерения	Год нормативного документа
			1971 г.	2022 г.
Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций			0,819	1,249
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций			1,128	1,125

В прошлом расчет сводился только к расчету по комфортным условиям (формула 1), однако сейчас в современном строительстве применяется расчет и по условию энергоэффективности, что повышает энергозащиту здания. Для этого определяют градусо-сутки отопительного периода по формуле (4), [5, с. 15]:

(4)

где — расчетная температура внутреннего воздуха в , принимаемая по нормам проектирования зданий и сооружений соответствующего назначения [3, табл 3];

— средняя температура наружного воздуха отопительного периода, , и средняя продолжительность, [4, с. 9];

(4)

Определяем

по таблице 4 [2, с.9] методом интерполяции:

Таблица 4

Базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций

Здания и помещения	Градусо-сутки отопительного периода,	Базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче стены
Общественные, административные и бытовые, производственные и другие здания и помещения с влажным или мокрым режимом	5000	2,7
	6000	3,0

При подборе теплоизоляционного материала для наружной стены по условию энергоэффективности, было рассмотрено три варианта конструкции. Характеристика теплоизоляционных материалов данных конструкций представлены в таблице 5, [5, с. 36].

Таблица 5

Величины теплотехнических характеристик строительных материалов и конструкций

Материал	Плотность,	Расчетный коэффициент теплопроводности ,
Плиты жесткие минераловатные на синтетическом и битумном связующих	250	0,082
Пенополистирол	150	0,052
Теплоизолирующая краска ThermoizolFassade [6]	500	0,0012

В первом варианте конструкции наружной стены (рис.2) в качестве утеплителя принята жесткая минеральная вата. Определяем сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций по формуле (2):

(2)

принимаем толщину утеплителя 0,150 мм.

Рис. 2. Разрез конструкции наружной стены вариант

Плюсами данной конструкции является то, что минеральная вата в составе конструкции является негорючим материалом, воздухопроницаемым (не заводятся насекомые) и относительно дешевым материалом.

Однако при намокании минеральная вата теряет теплофизические свойства. Из-за низких теплоизоляционных свойств в нашем случае требуется 150 мм утеплителя, что приведет к сложным фасадным работам и требует дополнительной облицовки фасада.

Во втором варианте конструкции наружной стены (рис. 3) в качестве утеплителя принят пенополистирол. Определяем сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций по формуле (2):

(2)

принимаем толщину утеплителя 0,100 мм.

Рис. 3. Разрез конструкции наружной стены вариант 2

У пенополистирола в данной конструкции лучше теплоизоляционные свойства, чем у минеральной ваты, что сокращает толщину слоя до 100 мм, материал не боится намокания.

Минусом является горючесть пенополистирола и его воздухонепроницаемость. Также из-за большой толщины утеплителя требуются сложные дорогостоящие фасадные работы.

В третьем варианте конструкции наружной стены (рис. 4) в качестве утеплителя принята теплоизоляционная краска ThermoizolFassade. Определяем сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций по формуле (2):

(2)

принимаем 0,002 мм.

Рис. 4. Разрез конструкции наружной стены вариант 3

К плюсам данной конструкции можно отнести очень высокие теплоизоляционные свойства, что не требует дополнительных фасадных работ из-за необходимости нанесения 2 мм (два слоя). Данная конструкция воздухопроницаемая, имеет стойкость к коррозии, имеет гидроизоляционные свойства, не боится ультрафиолета, можно добавить колер для придания фасаду цвета; не боится ультрафиолета.

Однако работа с данной краской требует соблюдения технологии, транспортировки, хранения, приготовления и нанесения материала.

Основываясь на результатах расчетов сопротивления теплопередаче наружной стены, теплоизоляционная краска обладает самым низким коэффициентом теплопроводности, следовательно, она имеет наименьший необходимый слой утеплителя. Исходя из этого, использование теплоизоляционной краски для утепления старых построек является наиболее экономически выгодным и целесообразным.

Литература:

1. Строительная теплотехника. Нормы проектирования. СНиП II-А.7–71.
2. СН РК 2.04–07–2022 «Тепловая защита зданий».
3. ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметр микроклимата в помещениях».
4. СП РК 2.04–01–2017 «Строительная климатология».
5. СП РК 2.04–107–2022 «Тепловая защита зданий».
6. Жидкая универсальная теплоизоляция — Thermoizol Fassade | Kaizer — Лакокрасочный завод в Казахстане [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: https://kaizer.kz/product/zhidkaya-universalnaya-teploizolyacziya-thermoizol-fassade/