Экономическая эффективность утепления стен каркасного дома.
Часть 1

А. С. Горшков, канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

А. Г. Керник, руководитель группы технической поддержки продаж ООО «УРСА Евразия»

Современные технологии строительства и применяемые при строительстве материалы позволяют строить каркасные дома, которые не уступают каменным по долговечности и надежности. Основными преимуществами каркасного домостроения являются: быстровозводимость, относительно низкая стоимость, всесезонность строительных работ и практически полное отсутствие мокрых процессов при возведении коробки дома. Большинство энергоэффективных зданий в настоящее время возводится по каркасной технологии.

Стены каркасных зданий состоят из несущего каркаса, который может быть выполнен из деревянного бруса, бруса из клееного шпона (ЛВЛ) или тонкостенных профилей из оцинкованной стали (ЛСТК) с заполнением пространства между стойками каркаса плитами из эффективного утеплителя (теплоизоляции). Изнутри и снаружи каркас закрывается отделочными изделиями, перечень которых широк и разнообразен.

Утеплитель (теплоизоляция) служит для уменьшения потерь тепловой энергии на отопление. Чем толще слой теплоизоляции, тем меньшими оказываются потери тепла и, следовательно, тем меньшего расхода энергоресурсов (топлива) требует здание.

Чем меньше потери тепла в здании, тем меньшее количество тепловой энергии требуется подвести к зданию от источника тепла.

Таким образом, утепление ограждающих конструкций приводит к уменьшению потребляемой в здании энергии и, следовательно, к сокращению эксплуатационных затрат на отопление.

Однако чем толще слой утеплителя, тем большими оказываются капитальные затраты. Таким образом, еще на этапе проектирования следует произвести экономическую оценку вариантов технических решений.

Капитальные затраты, как правило, значительны, но выделяются единовременно, а экономический эффект от дополнительного утепления будет «набегать» ежегодно, но меньшими порциями. Следовательно, существует некоторая оптимальная толщина слоя теплоизоляции, характеризующая экономическую эффективность принятого решения. Ее можно определить путем оценки экономической эффективности различных вариантов утепления и сравнения их между собой.

В рамках данного исследования для оценки экономической эффективности различных вариантов утепления наружных стен каркасного дома используется показатель прогнозируемого срока окупаемости инвестиций. Наиболее эффективным считается вариант утепления, при реализации которого дисконтированный срок окупаемости Т_Д инвестиций в доутепление ограждающих конструкций дома окажется минимальным: Т_Д =" f(δ_ут) → min.

Объект и цель исследования

Рассмотрим типовой каркасный дом площадью 150 м² (рис. 1). Площадь наружных стен А_ст примем равной 175 м².

В качестве несущего каркаса рассмотрим наиболее распространенный вариант – деревянный брус сечением 150×50 мм.

Отопление в доме – индивидуальное, от газового котла с КПД 90 %.

Месторасположение объекта: Московская область.

Рис. 1. Фасад и разрез объекта исследования

Рассчитаем потери тепловой энергии через наружные стены рассматриваемого объекта исследования, а также оценим прогнозируемые сроки окупаемости для четырех вариантов утепления наружных стен (см. рис. 2) толщиной 50, 100, 150 и 200 мм.

В качестве слоя теплоизоляции примем теплоизоляционные изделия из минеральной ваты на синтетическом связующем марки TERRA 34 PN (см. табл. 1).

Таблица 1
Основные физико-механические характеристики изделий марки TERRA 34 PN

Рассмотрим как влияет увеличение толщины теплоизоляции на первоначальные капитальные вложения (инвестиции), потери тепловой энергии через наружные стены, эксплуатационные затраты на компенсацию потерь тепла и сроки окупаемости инвестиций.

Вариант стены с толщиной утеплителя 50 мм примем в качестве базового (минимально допустимого) варианта. Стена каркасного дома может быть выполнена без утеплителя, но такой дом в данном исследовании не рассматривается, поскольку, как правило, не подходит для круглогодичного проживания или окажется некомфортным.

Определение дополнительных инвестиций

Увеличение толщины слоя теплоизоляции сверх базовых 50 мм в составе наружных стен каркасного дома потребует дополнительных инвестиций.

В соответствии с исходными данными площадь наружных стен рассматриваемого объекта исследования принята равной 175 м².

Затраты на монтаж дополнительной теплоизоляции (сверх базовых 50 мм) представлены в табл. 2. Дополнительные затраты на утепление получены исходя из стоимости теплоизоляции 1 200 руб./м³ и рассчитаны по сравнению с базовым вариантом утепления (50 мм), то есть с учетом необходимости установки дополнительного слоя теплоизоляции толщиной 50 мм и т. д. В последнем случае толщина слоя минеральной ваты 200 мм окажется больше толщины стоек каркаса (150 мм), ввиду чего для установки дополнительных 50 мм теплоизоляции между каркасом и обрешеткой потребуется установить контрбрус толщиной 50 мм для укладки последних 50 мм минеральной ваты. В этом случае стоимость работ непропорционально возрастает (отражено в табл. 2).

Таблица 2
Капитальные затраты на установку дополнительного слоя теплоизоляции

Стоимости работы по монтажу теплоизоляции с толщинами 50, 100 и 150 мм приняты равными, поэтому не учтены. При толщине слоя теплоизоляции 200 мм учтены дополнительные затраты на установку контрбруса и укладку между горизонтальными направляющими контрбруса утеплителя.

Капитальные затраты на дополнительное утепление наружных стен с увеличением толщины теплоизоляции при переходе от толщины 150 мм к толщине 200 мм возрастают более резко (табл. 2). Это обстоятельство обусловлено изменением конструктивной схемы наружных стен ввиду появления между стойками каркаса и облицовочным слоем дополнительного контрбруса.

Для расчета эксплуатационных издержек вариантов домов с различным уровнем теплоизоляции наружных стен требуется понимание параметров климата предполагаемого района строительства и теплотехнических характеристик ограждающих конструкций (стен).

Оценка уровня теплоизоляции

Уровень теплоизоляции наружных стен может быть оценен с использованием значений сопротивления теплопередаче , м²·К/Вт и коэффициента теплопередачи , Вт/(м²·К). Данные теплофизические характеристики являются обратно пропорциональными другу другу, то есть  [1].

Коэффициент теплопередачи (U-value) является более удобной и понятной тепловой характеристикой ограждающих конструкций, так как показывает отношение плотности теплового потока к площади ограждающей конструкции при разности внутренней и наружной температур воздуха 1 К.

Сопротивление теплопередаче вариантов стенового ограждения при различной толщине слоя теплоизоляции рассчитано по известной формуле  (СП 23-101"–2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»),

где α_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, (принимаемый по табл. 7 СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий») для наружных стен равным 8,7 Вт/(м²·К);

δ_i– толщина i-го слоя конструкции наружной стены, м;

λ_i– теплопроводность i-го слоя материала наружной стены, Вт/(м·К);

α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, принимаемый по СП 23-101–2004 (табл. 8) для наружных стен равным 23 Вт/(м²·К).

В связи с тем, что термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев по сравнению с термическим сопротивлением слоя утеплителя незначительно, а также в связи с тем, что изделия для внутренней отделки могут быть приняты совершенно разными, при расчете сопротивления теплопередаче (по формуле определения R_o)облицовочные слои не учитывались.

Ввиду того, что в рассматриваемой конструкции стены (рис. 2) перед облицовочным слоем присутствует вентилируемая наружным воздухом прослойка, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены  на основании примечания «б» к пункту 9.1.2" СП 23–101 примем равным 10,8 Вт/(м²·К).

В результате расчета сопротивление теплопередаче рассматриваемых вариантов стеновых ограждений при различной толщине слоя теплоизоляции составило: при 50 мм (базовый вариант) –R⁵⁰₀ = 1,49, при 100 мм –R¹⁰⁰₀ =2,77; при 150 мм –R¹⁵⁰₀ =4,07; при 200 мм –R²⁰⁰₀ =5,34 (м² К)/Вт.

Из рис. 2 видно, что контур утепления не является сплошным, – деревянные стойки каркаса разрывают контур утепления на всю толщину слоя теплоизоляции, то есть представляют собой сквозные линейные теплопроводные включения. Ввиду этого стойки деревянного каркаса обуславливают дополнительные (по сравнению с сечением стены в месте расположения утеплителя) потери тепла, которые следует учесть при оценке потенциала энергосбережения различных вариантов утепления.

Рис. 2.
Схематичное изображение рассматриваемой конструкции
наружной стены каркасного дома

Для оценки влияния стоек каркаса на уровень теплоизоляции наружных стен каркасного дома воспользуемся методом, представленным в справочнике [2]. Расстояние между деревянными стойками каркаса примем равным 0,6 м, толщину направляющих – 0,05 м (рис. 4).

Рис. 4. Схематичное изображение регулярного (повторяю-
щегося) фрагмента стенового ограждения для расчета его
коэффициента теплопередачи с учетом влияния стоек на те-
плотехническую однородность ограждающей конструкции

Если толщина слоя утеплителя меньше толщины деревянной стойки каркаса, при расчете коэффициента теплопередачи стеновой конструкции толщину направляющих стоек будем принимать равной толщине слоя утеплителя (как показано на рис. 4). Термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев, толщина которых, как правило, существенно ниже, чем у несущих и утепляющих слоев, будем считать ничтожно малым.

Пространство между утеплителем и облицовкой будем считать вентилируемым. В этой связи коэффициент теплоотдачи наружной поверхности α_н примем равным 10,8 Вт/(м·К) (СП 23"-101–2004).

Тогда при толщине слоя утеплителя 50 мм сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи стены:

· по сечению стоек деревянного каркаса (к) составят соответственно R_k =" 0,44 м² К/Вт и U_k=" 2,27 Вт/(м² К):

· по сечению утеплителя (ут) – R_ут =" 1,49 м² К/Вт и U_ут =" 0,67 Вт/(м² К):

С учетом того, что высота стоек каркаса и слоя утеплителя примерно одинаковы, расчет коэффициента теплопередачи можно провести только относительно ширины рассмотренного на рис. 4 фрагмента стенового ограждения [2], для которого получили U⁵⁰_пр =" 0,79 Вт/(м² К).

Аналогичные расчеты, выполненные для других толщин слоя утеплителя, дают следующие результаты:U^100"_пр =" 0,44; U¹⁵⁰_пр =" 0,31; U²⁰⁰_пр =" 0,24 Вт/(м² К).

Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала «Энергосбережение»

Литература

1. ISO 6946–2007. Buildingcomponentsandbuildingelements – Thermalresistanceandthermaltransmittance – Calculationmethod.
2. Блази В. Справочник проектировщика. Строительная физика. М.: Техносфера, 2004. 480 с.