Тепловая изоляция жилых и гражданских зданий

Ю. Г. Граник, доктор техн. наук, профессор, директор по научной деятельности ОАО «ЦНИИЭП жилища»

Это потребовало радикальной переоценки материалов, применяемых в наружных ограждениях, и существенного изменения конструктивных решений наружных стен. В зависимости от того, строится ли новое, или проводится реконструкция существующего здания, конструктивные решения наружных стен требуют разных подходов.

В новом строительстве, как показали проведенные в ЦНИИЭП жилища и других организациях расчеты и проектные проработки, не удовлетворяют теплотехническим и экономическим критериям наружные стены сплошной однородной конструкции из таких традиционных материалов, как легкие бетоны, кирпич и дерево. Стены с применением этих материалов должны быть, как правило, слоистыми с использованием эффективного утеплителя для обеспечения требуемой теплозащиты. Расчеты и практика проектирования показали, что эффективным в этом случае может считаться утеплитель, расчетный коэффициент теплопроводности которого не превышает 0,08–0,09 Вт/(м • К).

Однослойными могут быть наружные стены из таких материалов, как ячеистый бетон, полистиролбетон и в некоторых случаях керамзитобетон. Критерием в этом случае является плотность (и зависящая от нее теплопроводность) этих материалов, которая не должна быть более 600 кг/м³. Этому показателю со значительным запасом удовлетворяет полистиролбетон, плотность которого в конструкциях наружных стен составляет 250–350 кг/м³ при соответствующих значениях коэффициентов теплопроводности. Вместе с тем полистиролбетон такой плотности имеет самую низкую прочность (7–12 кг/м²) и недостаточную морозостойкость. При такой прочности наружные стены могут быть только ненесущими, кроме того, проблемным является закрепление на стенах карнизов, полок и т. п. Недостаточная морозостойкость требует обязательной фасадной защиты, в качестве которой обычно используют внешнюю облицовку в полкирпича. Стоимость полистиролбетона выше на 25–40 % пенополистирола. Эти обстоятельства ограничивают применение полистиролбетона в конструкциях наружных стен.

Наиболее перспективно в однослойных наружных стенах применение ячеистых бетонов.

Важнейшими физико-механическими показателями ячеистых бетонов являются прочность, плотность, морозостойкость, теплопроводность, усадка и водопоглощение. По этим показателям ячеистые бетоны в зависимости от исходных материалов, составов и способов производства отличаются друг от друга в очень широком диапазоне. В табл. 1 представлены характеристики автоклавных газобетонов, стабильно выпускаемых в массовом порядке передовыми заводами ячеистых бетонов. Характеристики приведены применительно к наиболее распространенной продукции – блокам стен и перегородок.

Таблица 1 (подробнее) Физико-механические показатели выпускаемых автоклавных газобетонов

Данные табл. 1 показывают, что в настоящее время в массовом производстве изделий из ячеистого бетона на передовых предприятиях страны достигнуты показатели, соответствующие мировому уровню. Следует сказать, что для стеновых блоков плотность ячеистого бетона 400 кг/м³ является критической, поскольку при меньшей плотности хоть и достигается меньшая теплопроводность материала, но в то же время существенно снижается прочность, и, что особенно важно, морозостойкость. Как показала практика проектирования, оптимальное соотношение между плотностью ячеистого бетона, с одной стороны, и его прочностью и морозостойкостью – с другой, находится в диапазоне 400–600 кг/м³. В этом случае ячеистобетонные блоки можно применять в несущих наружных стенах домов малой и средней (до 4–5) этажности, а также в ненесущих наружных стенах многоэтажных зданий при соблюдении приемлемой по конструктивным и экономическим соображениям толщины стен. В ряде случаев ячеистый бетон в конструкции наружных стен может удачно сочетаться с кирпичной облицовкой и эффективным утеплителем. Следует заметить, что однослойные ячеистобетонные стены являются наиболее экономически целесообразными по приведенным затратам.

Необходимо также отметить тот факт, что увеличение плотности ячеистого бетона в случае нарушения заводской технологии не гарантирует соответствующего роста морозостойкости, особенно в диапазоне плотностей 400–550 кг/м³.

В последние годы в связи с созданием эффективных пенообразователей все большее распространение получают неавтоклавные пенобетоны, что обусловлено стремлением упростить изготовление этого материала, сократить энергозатраты на производство и иметь возможность применять его в условиях строительной площадки.

Пенобетоны автоклавной обработки практически обладают теми же физико-механическими показателями, что и газобетоны, кроме усадки, обусловленной недостаточной стабильностью пены. Пенобетоны же неавтоклавной обработки в массовом производстве пока еще не достигли качества автоклавных газобетонов, хотя на уровне опытного или ограниченного производства они, по данным некоторых разработчиков, уже соответствуют газобетонам. В табл. 2 приведены некоторые физико-механические характеристики неавтоклавных пенобетонов.

На большинстве заводов и предприятий по выпуску изделий из неавтоклавного пенобетона пока еще не достигнут указанный в табл. 2 уровень показателей, в частности, средняя плотность производимого пенобетона составляет 650–800 кг/м³.

Таблица 2 (подробнее) Физико-механические показатели неавтоклавных пенобетонов (по данным разработчиков)

Для устройства однослойных наружных стен, особенно в регионах с относительно невысоким требуемым приведенным сопротивлением теплопередаче, могут применяться керамзитобетонные щелевые блоки. По разработкам ЗАО «НИИКерамзит» такие стеновые блоки имеют приведенную плотность в пределах 600 кг/м³. Это особенно важно для тех регионов страны, где отсутствуют природные тяжелые заполнители и не развито производство ячеистых бетонов. К таким регионам, например, относится ряд территорий Поволжья.

Рассматривая конструкции теплоэффективных наружных стен, остановимся вначале на стенах из кирпича. Помимо традиционных сплошных кирпичных стен, которые, как сказано выше, не удовлетворяют теплотехническим требованиям, применяют стены с колодцевой кладкой и слоистые с гибкими связями. Расчеты показывают, что колодцевая кладка кирпичных стен толщиной 700 мм при использовании эффективного утеплителя с l = 0,04 Вт/(м • К) обеспечивает приведенное термическое сопротивление теплопередаче не более 2,85 (м² • К)/Вт, что допустимо только для некоторых южных регионов страны. При этом толщина внутреннего несущего слоя составляет 380 мм. Аналогичная слоистая кирпичная стена с гибкими связями обеспечивает теплозащиту равную 5,05 (м² •К)/Вт, что достаточно практически для всех регионов России. Однако несущие слоистые кирпичные стены могут применяться только в домах высотой не более 4–5 этажей. Поэтому в многоэтажных домах необходимо применять трехслойные кирпичные стены с поэтажно навесным фасадным слоем либо целиком ненесущие наружные стены.

Говоря о панельных конструкциях, следует отметить, что новым теплотехническим требованиям в полной мере соответствуют только трехслойные панели с гибкими связями или с железобетонными шпонками. В южных регионах страны с ГСОП < 4 500 могут при соответствующем обосновании применяться трехслойные панели с легкобетонными ребрами. При этом, как правило, толщина панелей составляет 400–500 мм. Следует отметить, что трехслойные панели наружных стен с железобетонными шпонками по теплоэффективности на 9–11 % уступают панелям с гибкими связями.

В последние годы в жилищно-гражданском строительстве активно применяют наружные стены с фасадными системами. Эти системы можно разделить на:

- системы со штукатурными слоями;

- системы с облицовкой кирпичом или другими мелкоштучными материалами;

- системы с защитно-декоративными экранами.

Системы со штукатурными слоями предусматривают клеевое или механическое закрепление утеплителя с помощью анкеров, дюбелей и каркасов к несущей части стены с последующим оштукатуриванием. Помимо общего требования к надежному закреплению системы к стене, в данной системе обязательным по условиям годового баланса влагонакопления является требование к паропроницаемости защитно-декоративных штукатурных слоев.

Клеевое закрепление утеплителя применяют по высоте стены до 8 м и при ее ровной прочной поверхности. Для более высоких зданий используют механическое крепление плит утеплителя к стенам.

В зависимости от толщины фасадных штукатурных слоев применяют две разновидности устройства системы: с жесткими и гибкими (подвижными или шарнирными) крепежными эле-ментами (кронштейнами, анкерами). Первую используют при малых толщинах штукатурных слоев 6–12 мм. В этом случае температурно-влажностные деформации тонких слоев штукатурки не вызывают ее растрескивания, а нагрузка от веса может восприниматься жесткими крепежными элементами, работающими на поперечный изгиб и растяжение от ветрового отсоса.

К этим системам относятся «Алсекко», «Капатек», «Текс-Колор» (Германия), «Теплый дом», «Синтеко», «Сенарджи» и многие другие. В настоящее время в отечественной практике применяется несколько десятков таких систем, отличающихся, главным образом, составом клеев и накрывочных штукатурок. Эти составы могут быть на основе минеральных и силикатных связующих с акриловыми добавками до 4 % по массе либо акриловые, в которых содержание последнего компонента находится в диапазоне 5–7 % по массе. Увеличение содержания акрила обеспечивает повышенную ударную стойкость и эластичность материала. Эти системы могут применяться без финишной окраски фасада. В то же время фасадные акриловые системы характеризуются более высокой стоимостью.

При значительных толщинах штукатурных слоев в 20–30 мм применяют гибкие крепежные элементы, которые не препятствуют температурно-влажностным деформациям этих слоев и воспринимают только растягивающие напряжения, обеспечивая передачу нагрузок от веса штукатурных слоев через плиты утеплителя на существующую стену здания. К этим фасадным системам относятся «Термофасад», «Хантер-Стар», «Серпорок» и некоторые другие.

Достоинство данной фасадной системы состоит в том, что она позволяет выполнять на фасаде здания пояса, карнизы, пилястры и некоторые другие архитектурные детали. Недостатки этой системы заключаются в большом весе и значительном расходе коррозионно-стойкой стали. Все фасадные системы со штукатурными слоями отличаются сезонностью, т. к. работы по их устройству можно выполнять при температуре не ниже 5 °C.

Стоимость таких систем находится в пределах 35–55 долл. США за 1 м² стены.

Системы с облицовкой кирпичом или другими мелкоштучными материалами обладают достаточной паропроницаемостью и не требуют обязательного устройства вентилируемого воздушного зазора. В то же время из-за различных механических и температурно-влажностных деформаций основной стены и облицовочного кирпичного слоя в нем между этажами необходимо устраивать компенсационный шов с упругой прокладкой.

Системы утепления с защитно-декоративными экранами, вследствие их недостаточной паропроницаемости, выполняют с воздушным вентилируемым зазором между утеплителем и экраном. По этой причине рядом фирм такие системы утепления называются «вентилируемый фасад». Это название достаточно условно, поскольку вентилирование воздушного зазора происходит только в фасадных системах «Марморок» и «Полиалпан». Эти системы требуют обязательного наличия внизу впускных, а вверху выпускных отверстий, т. к. экраны представляют собой сплошную паро- и воздухонепроницаемую преграду. В других системах, например, «Мосрекон» или «Гранитогрес» между элементами экранов предусматривается горизонтальные и вертикальные щели, благодаря которым внутренний воздушный зазор сообщается с внешней атмосферой, что в значительной степени обеспечивает эвакуацию водяных паров из воздушного зазора. Кроме вышеупомянутых, к таким фасадным системам относятся: «Техноком», «Каптехнострой», «Краспан», «U-Кон» и другие. В настоящее время применяется несколько десятков фасадных систем с вентилируемым зазором.

Эти системы позволяют круглый год поддерживать такой режим теплообмена, при котором создаются достаточно комфортные условия проживания, а во время отопительного сезона обеспечивается нормативный расход энергоресурсов на отопление помещений. Внешний отделочный слой систем надежно укрепляется на несущих конструкциях наружной стены (основании) посредством несущего каркаса из металлических (стальных, алюминиевых) или деревянных элементов. Для устройства отделочного слоя используются многие плитные и листовые материалы, в том числе плиты из натурального камня (гранита, мрамора, известняка), плиты керамические и на основе цемента, облицованные каменной крошкой или окрашенные слоистые плиты из негорючих или трудногорючих полимерных материалов и металлические листы (стальные и алюминиевые) с покрытием и без них. Значительное разнообразие видов отделочных материалов в сочетании с большим выбором цвета и фактуры поверхности позволяет значительно обогатить архитектурно-художественную выразительность строящихся и реконструируемых зданий. Стоимость систем с вентилируемым фасадом составляет 65 долл. США 1 м² и более.

При реконструкции зданий приходится решать проблему утепления наружных стен. Технически ее можно решить путем их утепления либо с наружной, либо с внутренней стороны. Выполненные расчетно-аналитические и проектные разработки показали, что устройство дополнительной теплоизоляции снаружи здания защищает стену от переменного замерзания и 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, исключающий 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.

Недостаток этого способа состоит в необходимости устройства лесов или подвесных люлек снаружи здания.

Этого недостатка лишен способ утепления наружных стен изнутри здания. Кроме того, внутренняя теплоизоляция бо-лее выгодна для уменьшения теплопотерь в углах здания. Однако в общем балансе теплопотерь значительно более эффективной оказывается наружная теплоизоляция, в первую очередь из-за существенного превышения суммарной длины теплопроводных включений примыканий внутренних стен и перекрытий по фасадам зданий над длиной теплопроводных включений в его углах.

Если при наружной теплоизоляции потери через теплопроводные включения снижаются при утолщении слоя утеплителя и в ряде случаев его значениями можно пренебречь, то при внутренней теплоизоляции негативное влияние этих включений возрастает с увеличением толщины слоя утеплителя. В случае устройства теплоизоляции снаружи толщина слоя утеплителя может быть на 25–35 % меньше, чем при внутренней теплоизоляции.

Еще одним преимуществом наружной теплоизоляции является возрастание теплоаккумулирующей способности массивной части стены. Например, при наружной теплоизоляции кирпичных стен они при отключении источника тепла остывают в 6 раз медленнее стен с внутренней теплоизоляцией при одной и той же толщине слоя утеплителя. Из вышесказанного вытекает, что в первую очередь следует принимать наружную теплоизоляцию стен зданий.

Внутреннюю теплоизоляцию допустимо применять только при невозможности использования наружной при обязательном расчете и проверке годового баланса влагонакопления в конструкции.

Подводя итог сказанному, следует отметить, что применение теплоэффективных наружных ограждений за счет экономии тепловых ресурсов окупает единовременные затраты во вновь строящихся жилых и гражданских зданиях в течение 7–8 лет, а в существующих домах – в течение 12–14 лет.