О ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ ДВУХСЛОЙНОЙ СТЕНОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

А. С. Горшков, канд. техн. наук, директор научно-учебного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

П. П. Рымкевич, канд. физ.-мат. наук, профессор кафедры физики ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»

Н. И. Ватин, доктор техн. наук, профессор, директор Инженерно-строительного института ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

В настоящее время в практике проектирования и строительства зданий с монолитным железобетонным каркасом и поэтажным опиранием наружных стен на монолитные или сборно-монолитные железобетонные перекрытия одним из наиболее распространенных вариантов заполнения наружной теплозащитной оболочки является конструктивное решение стены, состоящее из двух слоев (рис. 1):
– внутреннего ненесущего слоя, выполненного кладкой из газобетонных блоков толщиной 300–400 мм в зависимости от региона строительства и его климатических параметров;
– наружного облицовочного слоя из лицевого кирпича толщиной в один или два кирпича.

Рисунок 1. Конструктивное решение наружной двухслойной стены

Описание конструкции стенового ограждения

В рассматриваемом конструктивном решении внутренний слой стенового ограждения выполняет функцию теплоизоляции, наружный – функцию защиты от внешних климатических воздействий, обеспечивает требуемую долговечность фасадов и формирует архитектурный облик здания. Считается, что данное конструктивное решение удовлетворяет требованиям тепловой защиты для большинства регионов Российской Федерации.
В Санкт-Петербурге традиционным решением является стеновое ограждение, в котором толщина газобетонного слоя составляет 375 мм (рис. 1а).

Нормативные требования

В СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» (далее – СНиП 23-02) для зданий установлены три показателя тепловой защиты:
а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания;
б) санитарно-гигиенический, включающий температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы;
в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величины теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объемно-планировочных решений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Приведенное сопротивление теплопередаче R^r₀ ограждающих конструкций следует принимать не менее нормируемых значений¹ R_req, определяемых² в зависимости от градусо-суток отопительного периода (далее – ГСОП) района строительства.

ГСОП для жилых зданий, расположенных на территории Санкт-Петербурга, составляют³ 4 796 °C•сут, а нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче для наружных стен жилых зданий составляет⁴ 3,08 м²•°C/Вт. При этом допускается⁵ снижение нормируемого значения приведенного сопротивления теплопередаче для стен жилых и общественных зданий на 37 % при выполнении требования СНИП 23-02 (п. 5.1).

Таким образом, применительно к рассматриваемому случаю минимально допустимое значение приведенного сопротивления теплопередаче для наружных стен жилых зданий, проектируемых на территории Санкт-Петербурга, не должно быть ниже⁶ R_min = 1,94 м²•°C/Вт.

Цель и задачи исследования

Приведенное сопротивление теплопередаче R^r₀ для наружных стен следует рассчитывать для фасада здания либо для одного промежуточного этажа с учетом откосов проемов без учета их заполнений⁷. Рассмотрим на конкретном примере, как выполняется это требование на практике.

Для этого произведем расчет приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен промежуточного этажа типового многоквартирного жилого здания с конструктивной монолитно-каркасной схемой и двухслойными наружными стенами (рис. 1) и сравним полученное значение с нормируемым R_req и минимально допустимым R_min значениями приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен жилого многоквартирного здания.

Исходные данные для теплотехнического расчета

Район строительства – Санкт-Петербург.
Назначение здания – жилое.
Расчетная температура: внутреннего воздуха t_в = 20 °С; наружного воздуха t_н = –26 °С.
Зона влажности – влажная.
Влажностный режим помещений здания – нормальный.
Условия эксплуатации ограждающих конструкций – «Б».

Теплотехнические характеристики материалов, применяемых в составе стенового ограждения:
– цементно-песчаный раствор γ_о = 1 800 кг/м³, λ_Б = 0,93 Вт/(м•°С);
– кирпичная кладка из обыкновенного глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе γ_о = 1 800 кг/м³, λ_Б = 0,80 Вт/(м•°С);
– кладка из стеновых неармированных блоков из автоклавного газобетона плотностью γ_о = 400 кг/м³, λ_Б = 0,14 Вт/(м•°С).

Граничные условия:
Расчетный коэффициент теплоотдачи:
– внутренней поверхности стены α_int = 8,7 Вт/(м²•°С);
– оконных блоков α_int = 8 Вт/(м²•°С);
–  наружной поверхности стен, окон α_ext = 23 Вт/(м²•°С).

Расчетные схемы фрагментов наружных стен представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Схемы расчетных фрагментов наружной двухслойной стены

Результаты расчета

Приведенное сопротивление теплопередаче рассматриваемых фрагментов теплозащитной оболочки здания вычислено на основе расчета температурных полей. Сущность метода заключается в моделировании стационарного процесса теплопередачи через ограждающие конструкции зданий с использованием компьютерных программ⁸. Метод предназначен для оценки температурного режима и расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий или их фрагментов с учетом геометрической формы, расположения и характеристик конструктивных и теплоизоляционных слоев, температур окружающего воздуха, коэффициентов теплоотдачи поверхностей.

Величина приведенного сопротивления теплопередаче среднего промежуточного этажа R^r₀ определена на основании расчета приведенного сопротивления ряда участков (фрагментов) R^r_0,i с учетом потерь тепла через торцы плит перекрытий, откосы оконных проемов и балконных дверей (см. таблицу), в частности следующих фрагментов:
– глухой стены без проемов, размеры: по высоте – высота этажа h = 3,0 м, по ширине – 1,2 м (рис. 2а);
– стены с оконными проемами, размеры: по высоте – высота этажа h = 3,0 м, по ширине – расстояние между осями оконных проемов (рис. 2б);
– стены с балконной дверью, размеры: по высоте – высота этажа h = 3,0 м, по ширине – расстояние между осями простенков (рис. 2в).

Приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен среднего промежуточного этажа многоквартирного жилого дома R^r₀ с учетом площадей участков стен по фасадам здания, рассчитанное по формуле (1) (см. Расчетные формулы), составляет 1,81 м²•°C/Вт.

Рассчитав условное (без учета влияния теплопроводных включений на теплотехническую однородность стен) сопротивление теплопередаче R₀ рассматриваемого конструктивного решения (формула (2), Расчетные формулы), получим 2,99 м²•°C/Вт.

Отсюда коэффициент теплотехнической однородности r, рассматриваемый в примере наружной стены типового промежуточного этажа с учетом откосов проемов без учета их заполнений, будет равен 0, 61 (формула (3), Расчетные формулы).

Что влияет на коэффициент теплотехнической неоднородности?

В [4] для аналогичного конструктивного решения получено еще более низкое расчетное значение коэффициента теплотехнической однородности r = 0,48.

Различия в коэффициентах теплотехнической однородности могут быть обусловлены различиями использованных в проекте конструктивных решений, количественного и качественного состава теплопроводных включений. Также теплотехническая неоднородность стеновой конструкции зависит от качества монтажа.

В частности, в [4] отмечено, что по результатам съемки 15 термограмм измеренное в натурных условиях сопротивление теплопередаче двухслойной наружной стены составило 1,3–1,5 м²•°C/Вт (при условном сопротивлении теплопередаче стенового ограждения R₀ =  3,92 м²•°C/Вт). Получается, что фактический коэффициент теплотехнической однородности может оказаться еще меньше расчетного значения и составлять согласно [4] r = (1,3÷1,5) / 3,92 = 0,33÷0,38.

В качестве одной из возможных причин выявленного несоответствия в [4] отмечается некачественное строительство, обусловленное поступлением на строительную площадку блоков неправильной формы. Действительно, наличие трещин, разломов, выбоин и иных дефектов изделий может приводить к перерасходу строительного раствора [5], который выступает в качестве дополнительного теплопроводного включения, не учитываемого при расчете.

Следует отметить, что фактическая влажность изделий из газобетона в начальный период эксплуатации может значительно превышать расчетную [5]. В этой связи теплопроводность изделий из газобетона может оказываться выше по сравнению с принятыми в проекте расчетными значениями, т. к. теплопроводность материала зависит от массового содержания влаги.

Исходя из полученных расчетов, сформулируем следующие выводы:

• Приведенное сопротивление теплопередаче R^r₀ двухслойной стеновой конструкции, состоящей из внутреннего самонесущего слоя из газобетонных стеновых неармированных блоков марки по плотности D400 и наружного облицовочного слоя из лицевого керамического кирпича толщиной 120 мм, вычисленное на основе расчета температурных полей для типового промежуточного этажа многоквартирного жилого здания, составляет 1,81 м²•°С/Вт.
• Конструкция рассмотренного стенового ограждения (рис. 1) не удовлетворяет нормативным требованиям по тепловой защите (R_req = 3,08 м²•°С/Вт).
• Конструкция стенового ограждения (рис. 1) не удовлетворяет минимально допустимым требованиям по тепловой защите (R_min = 1,94 м²•°С/Вт).
• Коэффициент теплотехнической однородности r конструкции наружной стены, выполненной кладкой из газобетонных блоков марки по плотности D400 с облицовочным слоем из лицевого кирпича, не превышает 0,61.
• Фактическое значение коэффициента теплотехнической однородности рассматриваемого конструктивного решения, с учетом качества доставленных на объект изделий и качества их монтажа, может оказаться существенно меньшим по сравнению с расчетным значением.
• Для обеспечения нормативных требований к уровню тепловой защиты наружных стен зданий в составе стенового ограждения (рис. 1) следует либо увеличивать толщину газобетонных блоков в составе двухслойной стеновой конструкции, либо использовать промежуточный слой из теплоизоляционных материалов с расчетной теплопроводностью не более 0,05 Вт/м•°C. Слой теплоизоляции следует располагать между газобетонным и лицевым (облицовочным) слоями.
• Во всех случаях для эффективного удаления влаги из состава стенового ограждения между слоем теплоизоляции и лицевым кирпичом следует предусматривать вентилируемый зазор, эффективное сечение которого (толщина) должно определяться расчетом.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ РАСЧЕТ АВОК

Компьютерный расчет НП «АВОК» позволяет определить фактическое сопротивление теплопередаче для стандартных конструкций и базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче по СП 50.13330.2012, разработанному под руководством доктора техн. наук В. Г. Гагарина

Литература

1. Кривошеин А. Д., Федоров С. В. К вопросу о расчете приведенного сопротивления теплопередаче // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 8.
2. Кривошеин А. Д., Федоров С. В. Руководство пользователя программным комплексом «TEMPER» по расчету температурных полей ограждающих конструкций зданий. Омск : СибАДИ, 1997.
3. Соколов Н. А., Горшков А. С. Теплопроводность строительных материалов и изделий: уровень гармонизации российских и европейских строительных стандартов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 6 (185).
4. Гагарин В. Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5.
5. Немова Д. В., Спиридонова Т. И., Куражова В. Г. Неизвестные свойства известного материала // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1.

^* Данные по величине фактического энергопотребления жилых зданий разных лет постройки были собраны и проанализированы авторами статьи. – Прим. ред..

¹ В соответствии с требованиями СНиП 23-02 (п. 5.3).

² Согласно СНиП 23-02, таблица 4.

³Согласно требованиям РМД 23-16–2012 «Санкт-Петербург. Рекомендации по обеспечению энергетической эффективности жилых и общественных зданий», таблица 3.

⁴ Там же, таблица 9.

⁵ Согласно требованиям СНиП 23-02, п. 5.13.

⁶ См. СНиП 23-02, формула (8).

⁷ Согласно требованиям СНИП 23-02, п. 5.6.

⁸ В нашем случае расчет выполнен с использованием программного комплекса TEMPER 3D [1, 2].