СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ В СУРОВЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

MODERN CONCEPTS OF CREATION OF ENERGY EFFICIENT ENCLOSURES OF RESIENTIAL BUILDINGS IN THE HARD TEMPERATURE AND CLIMATE CONDITIONS OF THE IRKUTSK REGION

Vladimir Isakov

Master’s student, Department of Construction Production, Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

Vladimir Moskvitin

Candidate of Technical sciences, associate professor, Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

АННОТАЦИЯ

Проблемы создания энергетически эффективных ограждающих конструкций зданий, выбор наиболее эффективного теплоизоляционного материала.

ABSTRACT

Problems of creating energy-efficient building envelopes, the choice of the most effective heat-insulating material.

Ключевые слова: ограждающая конструкция; энергоэффективность; поропласт.

Keywords: enclosing structure; energy efficiency; poroplast.

В настоящее время, ввиду нестабильности общемировой экономики, и снижения позиций национальной валюты, а также, вследствие влияния топливного и энергетического кризисов, на рынке недвижимости, как Российской Федерации в целом, так и Иркутской области в частности, наблюдается острая нехватка, объектов жилой недвижимости, способных удовлетворять своего потребителя стоимостью квадратного метра готового помещения.

Во многом, строительным организациям, неизбежно, приходится сталкиваться с постоянным компромиссом при проектировании жилых зданий, так как, зачастую, сложно запроектировать, а в дальнейшем и реализовать действительно качественный многоэтажный жилой дом, способный удовлетворить требованиям энергетической эффективности, санитарно-гигиенических норм, удобства для проживания, эстетичности, при этом сохранив стоимость квадратного метра на «общедоступном» минимальном уровне.

Основываясь на, сравнительно, большом опыте Скандинавских стран, а также Германии, на счету которой большое количество реализованных проектов доступных и социальных, объектов строительства жилого фонда, можно с большой долей уверенности сказать, что для достижения успеха решения проблемы строительства недорогого жилья, требуется кардинально изменить подход проектировщиков и строителей к своей работе.

В данный момент многие девелоперы в постоянной гонке за прибылью, а также ввиду тяжелого прессинга со стороны конкурентов, чтобы удержаться на рынке строительства объектов жилого фонда, вынуждены прибегать к постоянному наращиванию объемов готового жилья. Зачастую, повсеместно, происходит экономия как на качестве материалов, так и на качестве и квалификации рабочей силы, при этом у девелопера появляется возможность «легкого демпинга» стоимости квадратного метра готовой продукции. Но, в большом количестве случаев, собственники квартир, приобретающие квадратные метры в таких объектах, через очень короткое время вынуждены сталкиваться с проблемами нарушения санитарно-гигиенических условий в своих помещениях, с промерзанием ограждающих конструкций, а как следствие, с большим перерасходом тепловой энергии, расходующейся на обогрев таких помещений, особенно в зимний период года, когда температура наружного воздуха, в зависимости от места расположения площадки строительства, может понижаться до экстремальных отрицательных значений.

В наше время требуется переосмыслить сформировавшиеся принципы и концепции подхода к строительству жилых зданий. Для дальнейшего успешного роста рынка недвижимости доступного и качественного жилья, требуется не создание условий «тотальной экономии» и «наращивания объемов строительства», а создание корректных условий для снижения стоимости, при помощи симбиоза, как общеизвестных доступных, прочных и надежных конструкционных материалов, так и доступных, и недорогих инновационных изоляционных теплоизоляционных материалов и новых технологий их укладки, способствующих обеспечению существенного роста производительности труда и, одновременно, позволяющих создавать новые высокоэнергоэффективные ограждающие конструкции жилых зданий.

Концепция повышения производительности труда, сейчас, декларируется Правительством Российской Федерации, как одна из мер вывода экономики рынка строительства объектов недвижимости на конкурентно способный уровень, так как, зачастую, рынок недвижимости является катализатором роста, в том числе, и экономики всей страны.

Среди проектных и строительных организаций, применение энергетически эффективных строительных материалов, производимых с использованием местных сырьевых баз, что значительно снизило бы стоимость готовой продукции, за счет снижения стоимости, как сырья, так и уменьшения большого объема дорогостоящих логистических издержек, а также местных строительных технологий, позволяющих упростить, а, следовательно, и увеличить производительность производства строительно-монтажных работ, не сыскало широкого распространения, что полностью противоречит концепции Правительства Российской Федерации, а так-же делает абсолютно невозможным снижение стоимости готового вновь возводимого жилья.

В нынешнее время, проекты строительства объектов доступного жилья, безусловно, должны в себе сочетать совокупность как самых энергетически эффективных и прочных строительных материалов, так и инновационных и оптимизированных технологий возведения. Для достижения этого, требуется неизбежно оптимизировать существующие концепции возведения зданий с постоянной ориентацией на нужды потребительского рынка – покупателя доступного жилья, в части снижения эксплуатационных расходов, в особенности, на отопление, водоснабжение, вентиляцию и электроснабжение. Для решения таких задач, в передовых и более экономически развитых странах мира, в настоящее время, повсеместно, происходит внедрение так называемых бережливых технологий LEAN – «бережливое» и BIM (Building information Modelling) – информационное моделирование здания. Основная суть такого подхода к проектированию состоит в объединении и последующем применении знаний, которыми обладает строительная отрасль и данных в проекте BIM вследствие компьютерной визуализации проекта, что, в свою очередь, способствует наглядному пониманию проектных решений и представлению эксплуатационных характеристик будущего возводимого здания. «Бережливое производство», в данный момент, является прорывным подходом к обеспечению качества, долговечности и требуемым основным эксплуатационным параметрам будущего здания. Однако, в Российской Федерации, такие технологии не используются полноценно, несмотря на то, что их применение позволяет получить значительное конкурентное преимущество.

Анализ общемировых концепций строительства и проектирования жилых энергетически эффективных зданий показывает, что наиболее доступным, резервом к снижению стоимости квадратного метра готового вновь возводимого объекта жилого фонда, применительно к условиям нашей страны и в частности, региона Иркутской области, является уменьшение материалоемкости здания и повышение уровня тепловой защиты ограждающих конструкций жилого здания.

Показатели уровня тепловой защиты ограждающих конструкций здания, являются нормируемыми. Данные показатели и их энергетическая эффективность устанавливаются в актуализированной редакции СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» (СП 50.13330.2012): классы А и B энергетической эффективности зданий – очень высокий и высокий, С – нормальный.

Для площадки строительства многоквартирного жилого здания, расположенной на территории такого региона как, Иркутская область, обладающего суровыми температурно-климатическими условиями, особенно в зимнее, осеннее и весеннее время года, наиболее рационально, ограждающие конструкции таких зданий выполнять трехслойными, либо многослойными, за счет создания слоистых энергетически эффективных ограждающих конструкций, представляющих собой совместное использование конструкционных либо конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов (ячеистые бетоны, пескобетоны и т.д.) с применением высокоэнергоэффективного теплоизоляционного материала (λ≤0.06 Вт/(м*С).

Сейчас многие проектные и строительные организации вынуждены прибегнуть к соблюдению нормативных требований теплозащиты ограждающих конструкций строящихся, в суровых температурно-климатических условиях Восточной и Западной Сибири, жилых зданий, за счет применения «старых» конструктивных решений, напрямую, неизбежно, повышающих материалоемкость строительства, и как следствие, стоимость квадратного метра такого готового жилья, что ставит под сомнение экономическую целесообразность подобных решений.

При проектировании и строительстве доступных и удобных в эксплуатации многоэтажных зданий, требуется детальная проработка применяемых решений, следует искать пути и способы, позволяющие снизить материалоемкость, стоимость, а также оптимизировать толщину слоя функционального теплоизоляционного материала за счет применения инновационных методов производства строительно-монтажных работ и теплоизоляционных материалов производимых с применением сырья получаемого в сравнительной близости с площадкой строительства, чтобы снизить значительный уровень оплаты транспортных издержек в стоимости такого материала, и тем самым повлиять на снижение себестоимости готового строительного продукта.

Основным видом теплоизоляционных материалов, применяемых в России, являются плиты минерал ватные из базальтового волокна и стекловолоконные, совокупность которых в общем объеме производства и потребления составляет 70%. Наряду с этими материалами во всех развитых странах наблюдается бурный рост производства пенопластов и поропластов на основе различных синтетических смол.

Последнее десятилетие XX в. Характеризовалось резким ростом применения в строительстве различного типа теплоизолирующих газонаполненных [1] материалов (ГНМ) – пено- и поропластов, что позволило снизить массу зданий, сократить транспортные и трудовые затраты на их возведение и, что самое главное, ощутимо уменьшить расход энергии на отопление. Если учесть, что при низкой теплопроводности плотность ГНМ в 6-10 раз меньше плотности минеральной ваты, в 4-8 раз- минераловатных плит, в 25-50 раз- древесины, в 30-60 раз- кирпича и в 100-200 раз – бетона и железобетона, то можно представить эффективность использования ГНМ для увеличения термического сопротивления и уменьшения массы ограждающих конструкций зданий и сооружений. Поэтому неслучайно мировой энергетический кризис середины 70-х гг. прошлого столетия заставил многие строительные фирмы отказаться от традиционных минеральных утеплителей в пользу более легких, за то более эффективных теплоизоляционных материалов – пено- и поропластов.

Особое место среди известных ГНМ (полистирольных, полиуретановых, поливинилхлоридных, фенольных и др.) занимают карбамидные поропласты (КП), обладающие высокими [2,3] теплоизолирующими свойствами и характеризующиеся наиболее низкой стоимостью, обусловленной как дешевизной исходного сырья, так и возможностью использования водного раствора смолы. Помимо того, что КП являются трудносгораемым материалом, их получают, что очень важно, из доступного сырья- мочевиноформальдегидных смол (МФС), которые производятся в достаточных объемах во всех развитых в промышленном отношении странах. Существенным моментом, повышающим конкурентоспособность КП в сравнении с другими видами ГНМ, является относительно  низкий показатель его энергетического эквивалента, который был предложен в Германии для сопоставления энергоемкости производства отдельных ГНМ на базе суммарной оценки затрат энергии на единицу массы при изготовлении компонентов и полуфабрикатов, входящих в состав готового ГНМ. Так, показатель энергетического эквивалента у К равняется 480 МДж/кг, в то время как у Пено полиуретана- 2950 МДж/кг, у пено полистирола- 1360 МДж/кг.

Газонапоненные материалы с преобладающим большинством сообщающихся ячеек называют поропластами. Они проницаемы для влаги и газов и имеют по сравнению с пенопластами более высокую звуко- и виброизолирующую способность.

Карбамидные поропласты стойки к действию большинства агрессивных сред (кроме сильных кислот и щелочей) и органических растворителей, таких как бензол, бензин, ацетон, эфир, а также к действию грибков и микроорганизмов.

Таким образом, карбамидные поропласты отличаются от других типов вспененных пенопластов [2,5] рядом положительных качеств, а именно:

1. не дефицитность исходного сырья (мочеформальдегидные смолы- продукт многотоннажного производства);
2. высокая степень огнестойкости полимерной основы;
3. высокая теплоизолирующая способность;
4. хорошая звукопоглощающая способность, особенно для частот выше 400 Гц;
5. устойчивость к гнилостным бактериям;
6. возможность изготовления карбамидных поропластов непосредственно на строящихся объектах.

Наряду с положительными качествами карбамидные поропласты обладали рядом недостатков, ограничивающих их применение: низкая механическая прочность, высокая влаго- и паропроницаемость, значительные усадки (технологические) при отверждении и (временные) при сушке.

Недостатки карбамидных поропластов, а также отсутствие надежного высокопроизводственного оборудования для получения материала, сдерживали широкое применение их в области строительного производства.

Возможность широкого применения КП в строительстве обусловлена рядом требований, которым они ранее явно не удовлетворяли. В первую очередь это относится к способности сопротивляться долговременным нагрузкам, стабильности формы и гигроскопичности. Из всей совокупности физико-механических параметров, определяющих эксплуатационные свойства газонаполненных материалов (ГНМ), было решено выбрать в качестве интегрального показателя, связанного с другими параметрами, прочность на сжатие, под которой понимали предельное напряжение, соответствующее достаточно большой относительной деформации (около 10%).

Механические свойства ГНМ определяются свойствами полимера [2] и пористостью. Однако у легких поропластов степень проявления свойств полимера в очень сильной степени зависит от морфологии ячеистой структуры. Следовательно, эффективное улучшение эксплуатационных характеристик поропластов возможно в первую очередь путем направленного изменения макроструктуры полимерной матрицы.

На примере пенополиуретанов и фенольных пенопластов рядом исследователей доказана упрочняющая роль взаимопроникающих структур, где основная полиэдрическая структура ячеек твердой пены признана ячейками овального типа с меньшими (на порядок) размерами. В процессе экспериментальных исследований нами было установлено, что подобные структуры могут образовываться при вспенивании МФС лишь при определенных условиях диспергирования. В частности, такие условия создаются при обработке полимерной пены в цилиндрической емкости (или на канале) с быстро вращающейся мешалкой. Достигнутая в специально созданном смесителе направленная модификация структуры полимерной матрицы позволила увеличить прочность КП в 2,0-2,5 раза. На цилиндрический шнеко-лопастный смеситель выдано Авторское свидетельство на изобретение.

Дальнейшее увеличение прочности, а также улучшение других эксплуатационных характеристик было достигнуто введением тонкодисперсных наполнителей, в качестве которых использовали отходы различных производств- низко-кальциевую золу ТЭЦ сухого удаления, мелкозернистый кремнезем (пыль газоочистки производства кремния), перлитовую пыль (отходы производства перлитового гравия) или керамзитовую пыль.

Введение подобных тонкодисперсных наполнителей в ГНМ позволило получить композиционные поропласты на основе дешевых МФС, не уступающие по своим физико-механическим характеристикам пенополиуретанам, лучшим маркам пенополистирола и другим ГНМ. Так, проведение в ИЦСМИК ‹‹СибНИИстрой›› сертификационных испытаний образцов наполненного пеноматериала, получившего торговое название ‹‹Поропласт CF02››, показало, что его прочность на сжатие при 10% линейной деформации (ГОСТ 17177-94) составила 0,46 Мпа [4] при плотности 35 кг/м³. В последствии было установлено, что природа использованных наполнителей принципиально не влияет на свойства поропласта.

Важнейшей особенностью технологии создания нового КП является направленное изменение макроструктуры полимерной матрицы. Это достигается введением твердого мелкодисперсного наполнителя на конечном этапе ее отвержения, а также оптимизацией структурных характеристик поропласта ( размер пор, толщина их стенок, характер структуры, размещение мелкодисперсного наполнителя в элементах структуры) посредством доводочного модуля. ООО‹‹Фоампласт›› осуществил разработку композиций, технологий и создание установки, в которой реализованы совмещение процессов получения и транспортирования поропласта к месту устройства теплоизоляции на расстояние до 250 метров по горизонтали и высоте.

Производство высокоэнергоэффективного теплоизоляционного карбамидного поропласта [5] не требует заводских условий, так как его важным преимуществом является изготовление непосредственно в условиях строительной площадки, из заранее заготовленных компонентов при помощи двухмодульной пеногенераторной установки. В передвижной двухмодульной пеногенераторной установке реализованы принципиально новый способ и устройства непрерывного регулируемого процесса получения теплоизоляционного материала. Установка предназначена для изготовления, транспортирования и монолитной укладки материала на объектах строительства с целью тепловой защиты, что позволяет:

1. обеспечить долговременную устойчивую теплозащиту зданий. Срок службы поропласта в качестве теплоизоляции зданий сопоставим с их долговечностью;
2. снизить стоимость строительных работ, благодаря возможности оптимизации толщины ограждающих конструкций;
3. сократить сроки строительства новых зданий за счет снижения трудоемкости возведения ограждающих конструкций;
4. обеспечить круглогодичное выполнение теплоизоляционных работ: монолитная укладка композита ‹‹ Поропласт CF›› в ограждающие конструкции осуществляется до -25⁰ С.

Список литературы:

1. Карбамидоформальдегидные пенопласты [Текст]//вып. 14(1690-М.: НИИЕЭХИМ, 1984.-58с.
2. Шплет Н.Г. Сверхлегкие эффективные пенопласты для гражданского строительства [Текст] / Н.Г. Шплет// Ленинград: Стройиздат, 1985.-66с.
3. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционноспособных олигомеров. М., Химия, 1975, 296с.
4. А.с. 1742093 СССР. Устройство для получения вспененного материала [Текст] / Авт. Свид-во 1742093 от 23.06.1992.
5. Эффективные слоистые каменные наружные конструкции с теплоизоляцией из композита «Поропласт CF» [Текст]/ В.А. Москвитин, А.В. Петров, О.А. Гнездилова, С.К. Лохтин.: ТУ 5741-02-16602333-2006: утв. ООО «Фоампласт», ООО «Иркут-Инвест».- Иркутск, 2006.-16с.