backназад
Новости / Исследование энергоэффективности систем фасадных теплоизоляционных композитных с разными видами теплоизоляции в резко-континентальном климате

Исследование энергоэффективности систем фасадных теплоизоляционных композитных с разными видами теплоизоляции в резко-континентальном климате

Проанализированы существующие методики по вопросам оптимизации проектных решений по утеплению здания, а также существующие нормативные требования по подбору ограждающих конструкций. Предложена методика для проведения эксперимента по определению наиболее выгодных характеристик теплоизоляционного материала в условиях г. Якутск. В рамках исследования были возведены постройки с различными видами теплоизоляции для штукатурных фасадных конструкций. Необходимая толщина конструкции определялась в соответствии с текущими нормативными требованиями. В помещениях поддерживалась постоянная температура и влажность. С помощью счетчиков в экспериментальных постройках производились ежедневные измерения потребления ресурсов на отопление помещения. Приведены результаты измерений теплотехнических показателей и затрат на отопление в каждом из объектов. Произведено сравнение эффективности и затрат на отопление при использовании различных теплоизоляционных материалов в ограждающей конструкции. Сделан вывод об эффективности материалов конструкций в условиях крайнего севера.

Ключевые слова: системы фасадные теплоизоляционные композитные, теплоизоляционные материалы, теплопередача, ограждающая конструкция, энергоэффективность

Введение

В современном мире уделяется большое внимание вопросам, связанным с повышением энергоэффективности зданий и сооружений. Это является вопросом экономии и рационального использования всех видов ресурсов, особенно электроэнергии [1–5]. В связи с этим возникает вопрос о всех возможных путях экономии энергии. Стоимость энергетических ресурсов увеличивается с каждым годом, поэтому мировое сообщество на всех этапах жизненного цикла объекта (проектирование, строительство, эксплуатация, утилизация) ищет способы рационального использования денежных средств на этапе строительства и дальнейшей эксплуатации [6–9].

С целью прогнозирования и создания комфортных условий внутри зданий и сооружений различного предназначения применяется нормативный документ СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», в котором устанавливаются требования к тепловой защите зданий и определяется энергоэффективность объекта в целом на основании принятых проектных решений по ограждающему контуру, подобранному оборудованию и другим параметрам [10–13].

Для снижения затрат на отопление необходимо правильно подбирать ограждающие конструкции с учетом их долговечности, стоимости и эффективности. Одной из распространённых фасадных систем является система штукатурного фасада с теплоизоляционным слоем (СФТК — система фасадная теплоизоляционная композитная) [14]. Ежегодно более 30 млн. м2/г. составляет общая площадь монтируемых фасадных систем типа СФТК. Наиболее инерционно-традиционным материалом для штукатурных фасадов служит тяжелая минеральная вата плотностью от 110 кг/м3. Кроме минеральной ваты в качестве теплоизоляционного материала возможно применение современных высокотехнологичных материалов, таких как вспененного и экструзионного пенополистирола. Актуальность широкого внедрения таких материалов обусловлена тем, что большая часть Российской Федерации находится в суровых климатических условиях. Это влечет за собой огромные расходы на отопление в зимний период года, когда среднесуточная температура воздуха падает ниже +8°С [15].

С целью определения эффективности теплоизоляционных материалов в условиях низкой температуры был проведен эксперимент по определению наиболее эффективного материала для применения в составе штукатурного фасада. Существует множество исследований, направленных на выявление экологичного и экономичного материала для утепления различных конструкций здания [16]. В представленной работе предложена методика натурных испытаний, позволяющая провести сравнительных анализ различных систем фасадов.

Основные положения методики исследования

Цель исследования — экспериментально провести сравнительный анализ теплоизоляции в составе штукатурных фасадов и определить рациональное проектное решение по выбору ограждающей стеновой конструкции в холодном климате с учетом стоимости и энергоэффективности.

Для выполнения поставленной цели была разработана методика проведения эксперимента. Она заключается в инструментальном определении сопротивления теплопередачи объекта в условиях реальной работы конструкции, а также фиксации расхода электроэнергии для поддержания комфортных условий внутри объекта. Определение толщины утеплителя в наружной стене исследуемых объектов принимается путем расчета минимальной толщины теплоизоляционного материала в составе ограждающей конструкции согласно требованиям СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» и СП 345.1325800 «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты (с Изм. № 1 и № 2)».

Сравнение энергетической эффективности идентичных по конструктивному исполнению объектов с различными типами фасадных систем выполняется по основным критериям:

  • количество потребленной энергии (кВт·ч) на каждом исследуемом объекте;

  • стоимость потребленной энергии на единицу отапливаемой площади, объема для обеспечения заданной температуры внутри помещения.

Для измерения температуры ограждающей конструкции, не менее чем на одну ограждающую стену в каждом объекте должны быть установлены температурные датчики. Датчики рекомендуется устанавливать на следующих участках:

  • на внешней поверхности стены/системы теплоизоляции;

  • между слоем утеплителя и стеной;

  • на внутренней поверхности стены.

Значения температуры в конструкциях снимаются с периодичностью от раза в день до раза в час ежедневно. Результаты фиксируются в журнале регистрации измерений.

Объект исследования

Для реализации представленной методики были построены три экспериментальных объекта в г. Якутск (Республика Саха (Якутия). Внешний вид объектов представлен на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальные стенды в г. Якутск

Экспериментальные объекты представляют собой квадратные одноэтажные в плане строения одинаковой общей площадью для всех типов ограждающих конструкций. Размеры объекта по внутренней площади пола составляет 2,5×2,5 м по ширине и длине. Высота помещения 2,8 м. Каждый объект оборудован системами отопления и кондиционирования, которые обеспечивают поддержание стабильной температуры в помещениях как в холодное, так и в теплое время года, а также системами электропитания и освещения. Во всех экспериментальных объектах осуществляется регулировка и поддержание микроклимата. Уровень влажности в помещении составляет 55%, а температура — 20 °C. Для фиксации электроэнергии, затрачиваемой на поддержание заданной температуры в экспериментальных домах, используется однофазный электросчетчик, установленный в цепи подключения систем теплообеспечения.

Доступ в экспериментальные объекты осуществляется через входную дверь. Время открытия и закрытия двери (при входе и выходе) не превышает 5 сек. Посещение сотрудниками испытательных стендов производится исключительно при возникновении технологической необходимости. Допускаются дополнительные посещения, но не более 1 раза день (оставлять дверь открытой не допускается).

Для акцентированного сравнения показателей теплозащитных характеристик фасадных систем в основаниях и покрытиях эффективный теплоизоляционный слой из плит экструзионного пенополистирола предлагается принять c избыточной общей толщиной 400 мм для исключения воздействий кровли и фундамента, а также с целью минимизации теплопотерь. Типовой разрез экспериментального объекта исследования представлен на рис. 2.

Рис. 2. Типовой разрез экспериментального стенда

В рамках данного эксперимента были приняты следующие типы стеновых конструкций:

Тип 1 — система фасадная теплоизоляционная композиционная с наружным штукатурным слоем с теплоизоляционным слоем (СФТК с XPS) из экструзионного пенополистирола фасадной марки ПЕНОПЛЭКС ФАСАД (плотность XPS — 20 кг/м2) толщиной 150 мм.

Тип 2 — система фасадная теплоизоляционная композиционная с наружным штукатурным слоем (СФТК c минеральной ватой) с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты (плотность минеральной ваты — 115 кг/м2) толщиной 200 мм.

Тип 3 — система фасадная с наружным штукатурным слоем, без теплоизоляционного материала (СФТК без ТИМ)

Результаты измерений

Перед началом эксперимента все материалы, которые использовались при строительстве были исследованы в лаборатории для измерения коэффициента теплопроводности материала при средней температуре в образце 10 °С. Результаты лабораторных измерений представлены в табл. 1.

Основные показатели региона строительства экспериментальных стендов представлены в табл. 2

После проведения лабораторных испытаний материалов, применяемых в строительстве стендов, были проведены расчеты согласно СП 50.13330.2024 «Тепловая защита зданий» и климатическим данным из табл. 2. Данные о примененных системах приведены в табл. 3.

Анализ результатов измерений

Эксперимент начался в декабре 2020 г. Результаты эксперимента за декабрь 2020 г. — март 2022 г. по среднемесячному расходу электроэнергии в день в зависимости от типа фасадной системы представлены на рис. 4.

Рис. 4. Среднее суточное потребление электроэнергии в течение периода изменений на обогрев и охлаждение стендов в г. Якутск

Из графика рис 4. видно, что расход электроэнергии на поддержание температуры в г. Якутск в экспериментальном стенде без теплоизоляции превышает в 4-5 раз расход объектов с теплоизоляционными слоями. Расходы электроэнергии на отопление и кондиционирование за период исследования всех стендов представлены в табл. 4.

Как видно из данных табл. 4, система штукатурного фасада с экструзионным пенополистиролом эффективнее системы с минеральной ватой на 15%. Однако сопротивление теплопередаче у системы с минеральной ватой выше из-за толщины 200 мм.

Для того чтобы оценить затраты на отопление в самый холодный месяц исследуемого периода (январь 2021 г.), когда среднемесячная температура наружного воздуха равнялась −45°С, можно рассчитать стоимость за отопление в данный месяц на условный жилой дом 150 м2. Данный расчет представлен в таблице 5.

Как видно из табл. 5, стоимость электроэнергии на поддержание комфортных условий внутри условного объекта в 150 м2 будет составлять с системой без теплоизоляции 173 863,2 р. В то время как теплоизолированные объекты будут расходовать 33 901,66 р. и 40 504,49 р., что в разы дешевле.

Для сравнения эффективности двух систем был проведен эксперимент по аварийному отключению энергообеспечения внутри стендов с СФТК с экструзионным пенополистиролом и минеральной ватой. Графики изменения температуры внутри стендов показаны на рис. 5.

Рис. 5. а) График изменения внутренней температуры стен при аварийном отключении отопления — стенд Тип 1 (ЭППС), б) График изменения внутренней температуры стен при аварийном отключении отопления — стенд Тип 2 (МВ), в) График изменения наружной температуры стен при аварийном отключении отопления — стенд Тип 1 (ЭППС), г) График изменения наружной температуры стен при аварийном отключении отопления — стенд Тип 2 (МВ)

Как видно из графика на рис. 5-а, у стенда с фасадной системой с экструзионным пенополистиролом температура внутри помещения опустилась до 0°С за 78 часов, а с минеральной ватой (рисунок 5—б) за 61 час. Разница составляет 17 ч. Данный факт подтверждает, что система со штукатурным слоем с экструзионным пенополистиролом сохраняет тепло внутри помещения на 28% лучше по сравнению с системой с минеральной ватой. Более того, за 4 дня аварийного отключения отопления температура внутри помещения с СФТК с экструзионным пенополистиролом упала до −2,4°С, а с минеральной ватой до −6,7°С.

В табл. 6 показаны итоговые результаты экспериментальной работы по исследованию штукатурных фасадов. По результатам сравнительного анализа установлено, что объект без теплоизоляции показал наибольшее энергопотребление за период исследования. Разница расхода электроэнергии на отопление и кондиционирование по сравнению с системами фасадной теплоизоляции достигает 504%. Объект с теплоизоляционным слоем из экструзионного пенополистирола показал наибольшую эффективность по сравнению с объектом с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты, примерно на 15%. Однако расчетные показатели сопротивления теплопередачи оказались ниже на 14%. Данный факт говорит о том, что эксплуатационные (фактические) характеристики минеральной ваты в составе конструкции не соответствуют декларируемым (проектным) значениям. Также показано, что при сравнении двух теплоизолированных систем эффективность СФТК с XPS достигает 30,01% по сравнению с СФТК с минеральной ватой. По расчетам расходов на отопление объекта площадью 150 м2 в холодный месяц система с экструзионным пенополистиролом может экономить до 7000 руб. по сравнению с системой с минеральной ватой. Объект с экструзионным пенополистиролом охлаждается на 21% медленнее, что позволяет дольше сохранять положительные температуры внутри помещения. Это особенно актуально в условиях зимнего ремонта сетей энергоснабжения и теплоснабжения в случае аварийной ситуации.

Заключение

В результате натурных испытаний по определению сравнительной эффективности штукатурных фасадных систем с разными видами теплоизоляционного слоя в условиях холодного климата в г. Якутск за период исследований можно сделать следующие выводы:

  • объект без теплоизоляции показал наибольшее энергопотребление за период исследования, разница расхода электроэнергии на отопление и кондиционирование по сравнению с системами фасадной теплоизоляции достигает 504%;

  • объект с теплоизоляционным слоем из экструзионного пенополистирола показал наибольшую эффективность по сравнению с объектом с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты, примерно на 15%. Однако расчетные показатели сопротивления теплопередачи оказались ниже на 14%;

  • при сравнении двух теплоизолированных систем эффективность СФТК с XPS достигает 30,01% по сравнению с СФТК с минеральной ватой;

  • по расчетам расходов на отопление объекта площадью 150 м2 в холодный месяц система с экструзионным пенополистиролом может экономить до 7 тыс. р. по сравнению с системой с минеральной ватой;

  • объект с экструзионным пенополистиролом охлаждается на 21% медленнее, что позволяет дольше сохранять положительную температуру внутри помещения.

Список литературы / References

[1] Lesovik V.S., Puchka O.V., Vaisera S.S. Reduction of energy consumption of thermal insulation materials // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 19. pp. 40599-40602. EDN: VAJSLZ

[2] Грабовый К.П., Киселева Е.А.Энергоэффективность жилищного фонда как экономический стимул повышения потребительских качеств объектов недвижимости // Вестник МГСУ. 2015. № 3. С. 79-91. EDN: TMEUYF

[3] Friess W. A., Rakhshan K. A review of passive envelope measures for improved building energy efficiency in the UAE. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 72, pp. 485-496.

[4] Жуков А.Д., Боброва Е.Ю., Бессонов И.В.Строительные системы и особенности применения теплоизоляционных материалов // Жилищное строительство. 2015. № 7. С. 49-51. EDN: VCMAAJ

[5] Леонова А.Н., Курочка М.В. Методы повышения энергоэффективности зданий при реконструкции // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. № 7 (118). С. 805-813. EDN: XUWKPB. 10.22227/1997-0935.2018.7.805-813

[6] Kuczyński T., Staszczuk A. Experimental study of the influence of thermal mass on thermal comfort and cooling energy demand in residential buildings // Energy. 2020. Vol. 195. 116984. EDN: FZDVSC https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.116984

[7] Alayed E. et al. Thermal mass impact on energy consumption for buildings in hot climates: A novel finite element modelling study comparing building constructions for arid climates in Saudi Arabia // Energy and Buildings. 2022. Vol. 271. 112324. EDN: OOWPRJ https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2022.112324

[8] Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Виноградова Н.В., Зайцева И.А. Возможности и проблемы энерго-эффективных и энергосберегающих технологий в строительстве и текстильной промышленности // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 5 (371). С. 196-198. EDN: YUPWCZ

[9] Чеботарев Д.А. К вопросу об эффективности энергосбережения // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 419-422. EDN: NTLCEF

[10] Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23. EDN: SHORXP

[11] Крышов С.И., Курилюк И.С. Проблемы экспертной оценки тепловой защиты зданий // Жилищное строительство. 2016. № 7. С. 3-5. EDN: WHFUSH

[12] Перехоженцев А.Г. Нормирование сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий по условию теплового комфорта в помещении // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 173-185. EDN: VMNBDT

[13] Мусорина Т.А., Гамаюнова О.С., Петриченко М.Р. Обоснование конструктивных мероприятий по увеличению энергоэффективности стеновых ограждений // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 11 (110). С. 1269-1277. EDN: TAUMWV. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2017.11.1269-1277

[14] Малявина Е.Г., Фролова А.А. Влияние климатических особенностей района строительства на экономически выгодный уровень тепловой защиты офисных зданий // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2020. № 11 (743). С. 89-99. EDN: LSCNCN https://doi.org/10.32683/0536-1052-2020-743-11-89-99

[15] Мамонтов А.А., Ярцев В.П. Повышение эксплуатационной надёжности пенополистирольных теплоизоляционных плит посредством их армирования стеклотканевыми материалами // Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 2. С. 124-129. EDN: WFFVGF

[16] Рудченко И. И., Бугриев М. П. Повреждения конструкций зданий и сооружений при воздействии высоких температур // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (63). C. 184-190. EDN: YLPTEV. https://doi.org/10.21515/1999-1703-63-184-190