Рис. 1. Общий вид СИП-панели
Рис. 2. Фотографии и тепловизионные снимки фасадов здания из СИП-панелей
Рис. 3. Температурный режим внешнего наружного угла здания
Одним из перспективных направлений развития стройиндустрии является производство унифицированных конструкций, отвечающих требованиям энергосбережения и позволяющих возводить здания в кратчайшие сроки с минимальными затратами. К такому типу строительных изделий относятся сэндвич-панели и, в частности, структурные теплоизоляционные панели (СИП), которые представляют собой слой пенополистирола, заключённый между ориентированно-стружечными плитами (ОСП), с образованием совместно с каркасом из деревянных брусьев достаточно надёжного наружного ограждения (рис. 1).
Основное преимущество применения сборных элементов данного класса состоит в возведении универсальных зданий различной планировки в сжатые сроки. При этом затраты определяются сложностью и уникальностью проекта, архитектурно-строительными решениями и в значительной степени стоимостью материалов, что при установке СИП-панелей переводит малоэтажную застройку в разряд жилья эконом-класса.
Несмотря на неоспоримые преимущества каркасно-щитового строительства, последующая эксплуатация зданий, возведённых с использованием новых материалов и конструктивных разработок, часто показывает, что их характеристики отличаются от заявленных производителями. Поэтому, чтобы выявить возможные отклонения или подтвердить соответствующий класс энергоэффективности, были проведены натурные исследования на базе экспериментального дома из СИП-панелей (рис. 2), смонтированного на испытательном полигоне Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (ВГАСУ). При его возведении, в том числе и для перекрытий, использовались конструкции, состоящие из слоя пенополистирола марки ПСБ-С-25 толщиной 150 мм, покрытого с двух сторон ОСП толщиной 22 мм. Для внутренней отделки помещений была выполнена поклейка поверхностей стен обоями. Фасады здания закрыты сайдингом (вагонкой) с образованием незначительной воздушной прослойки.
Основное преимущество применения сборных элементов данного класса состоит в возведении универсальных зданий различной планировки в сжатые сроки. При этом затраты определяются сложностью и уникальностью проекта, архитектурно-строительными решениями и в значительной степени стоимостью материалов
При расчёте сопротивления теплопередачи наружной стены здания не учитывался облицовочный материал фасада, так как при строительстве жилья эконом-класса он может быть заменён стойкими к атмосферному воздействию лакокрасочными покрытиями. С учётом коэффициентов теплопроводности ОСП плиты 0,15 Вт/(м2·°С) и пенополистирола ПСБ-С-25 0,041 Вт/(м2·°С) общее сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции составляет 4,1 (м2·°С)/Вт.
Нормируемое значение сопротивления теплопередаче наружной стены для города Воронежа согласно СНиП 23-022003 [1] должно составлять величину не менее 3,12 (м2·°С)/Вт, поэтому можно утверждать, что конструкция из СИП- панелей полностью удовлетворяет требованиям по тепловой защите.
Ещё одним показателем энергоэффективности является так называемая «удельная теплозащитная характеристика» здания коб [Вт/(м3-°С)], рассчитываемая по формуле [2]:
где Ro.iпр — приведённое сопротивление теплопередаче i-го фрагмента теплозащитной оболочки здания, (м2·°С)/Вт; Aф.i — площадь соответствующего фрагмента теплозащитной оболочки здания, м2; Vot — отапливаемый объём здания, м3; nt.i — коэффициент, учитывающий отличие внутренней или наружной температуры у конструкции от принятых в расчёте градусо-суток отопительного периода ГСОП.
Площадь ограждающих конструкций экспериментального здания составляет 183 м2 при объёме в 163 м3. Температура воздуха во всех помещениях здания поддерживалась на уровне 20 °С, что отражено в значениях коэффициента nt.i, приведённых в табл. 1.
Определённое по формуле (1) значение удельной теплозащитной характеристики здания kоб составляет 0,31 Вт/(м3·°C), что меньше нормируемой величины 0,74 Вт/(м3·°C), рассчитанной по следующей зависимости [2]:
Следовательно, комплексное требование по тепловой защите выполнено, и здание по шкале энергоэффективности относится к высокому классу.
Для подтверждения результатов расчётов были проведены измерения тепловых потоков через ограждающие конструкции посредством прибора ИТП МГ 4.03 «Поток». Испытания выполнялись в течение нескольких дней при незначительной суточной амплитуде наружного воздуха в пределах от -5 до -1 °C. Обработка результатов измерений проводилась в соответствии с ГОСТ 26254-84 [3].
Полученные экспериментальные данные показали, что сопротивление теплопередачи СИП-панелей в среднем соответствует 5,04 м2·°С/Вт, что на 23 % превышает расчётное значение и подтверждает высокие теплотехнические показатели наружных ограждений. Необходимо отметить, что испытания проходили при достаточно высокой для зимнего сезона температуры наружного воздуха, и поэтому можно предположить, что при более низких значениях температуры результат будет отличаться. Высокие теплозащитные свойства ограждающих конструкций также подтверждаются тепло- визионным обследованием. Термограммы (рис. 2, 3 и 4) показывают, что фасады, выполненные из СИП-панелей, имеют равномерное распределение температуры без избыточных потерь теплоты. Температура на внутренней поверхности в углах здания и наружных ограждений по отношению к внутреннему воздуху в пределах нормируемого перепада, который согласно [1,2] не превышает 4 °С.
В последнее время всё чаще коттеджи строятся для загородного периодического пребывания людей. При таком режиме эксплуатации здания система отопления заполнена незамерзающей жидкостью, что позволяет во время отопительного сезона её отключать. В связи с этим целесообразно иметь сведения по возможному периоду восстановления температуры внутреннего воздуха до требуемых значений.
При запусках системы отопления выполнялся постоянный контроль температуры внутри помещений и наружной, которая на период испытаний в какой-то мере соответствовала средней за отопительный сезон для Воронежа -2,5 °С с незначительными отклонениями ± 1,5 °С. Изменение по времени, как правило, наблюдалось при достаточно высокой сходимости результатов замеров, проводимых через каждые 20 минут.
Повышение температуры имело характерный вид (рис. 5) и происходило в соответствии с полученным посредством аппроксимацией уравнением
t = –14,212 + 14,541τ – 1,8945τ2 + 0,0793τ3, (3)
где τ — время прогрева помещения, мин.
В основном, для проживающих важно знать, сколько времени потребуется для прогрева помещения. Этот вопрос позволяет выяснить обобщённая по проведённым исследованиям зависимость следующего вида:
τ = 40,97kоб(t - t0), (4)
где t0 — начальная температура внутреннего воздуха при условии t0 ≤ 0 °C.
При высокой удельной теплозащитной характеристики здания kоб, относящей его к разряду низкой энергоэффективности, в соответствии с формулой (4) потребуется больше времени для прогревания помещения, а при высоких теплозащитных свойствах наружных ограждений повышение температуры будет происходить интенсивней.
Проведённые исследования показали, что СИП-панели являются качественным материалом для строительства энергоэффективных зданий, но горючесть этих конструкций, а также возможный процесс деполимеризации пенополистирола вызывают опасения и ограничивают их широкое распространение.
Низкая трудоёмкость монтажных работ и кратчайшие сроки возведения зданий вызывают интенсивное продвижение СИП-технологий и поиск новых структурированных конструкций безупречных с точки зрения безопасности для человека
Несмотря на отмеченные негативные факторы, наблюдаемый рост популярности каркасно-панельных сооружений будет стимулировать совершенствование технологии производства посредством использования огнестойких экологически чистых материалов.
Кроме того, низкая трудоёмкость монтажных работ и кратчайшие сроки возведения зданий вызывают интенсивное продвижение данного способа строительства и, как следствие, поиск новых структурированных конструкций безупречных с точки зрения безопасности для человека. Это, в свою очередь, позволит удерживать каркасно-панельному производству значительный сегмент в стройиндустрии.
Модернизация СИП-технологии будет направлена на устранение отмеченных недостатков посредством применения эффективных и безопасных наполнителей, облицовочных плит и скрепляющих средств.
Поэтому, учитывая перспективность производства сэндвич-панелей, в Воронежском ГАСУ активно проводятся исследования, направленные на получение патентно-приоритетных строительных материалов и конструкций, позволяющих качественно изменить показатели пожарной и экологической безопасности при высоком уровне теплотехнических характеристик.
