Строительство энергоэффективных малоэтажных зданий с многослойной конструкцией «Сельская стена»

Т. А. Голова

Канд. техн. наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства Балаковского института техники, технологии и управления (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.,

Аннотация

В статье описывается вопрос применения многослойной конструкции «Сельская стена» с высокой степенью энергоэффективности для строительства малоэтажных жилых зданий. Приведены преимущества данного конструктивного решения. Представлены варианты повышения энергоэффективности нового конструктивного решения.

Современное строительство энергоэффективных домов в России показывает, что цифры энергопотребления в домах с применением стен из многослойных конструкций значительно ниже, чем в однослойных. В настоящее время существующие здания имеют очень низкий класс энергетической эффективности. Во многих зарубежных странах уже активно используют технологии энергосбережения. Самые лучшие показатели наблюдаются в Германии. На данный момент Россия отстает от этих показателей в 3-4 раза.

Германия является признанным мировым лидером энерго– и ресурсосбережения несмотря на то, что доля альтернативных источников энергии составляет около 16%, в то время как в Австрии этот показатель достигает 70% [13].

В России энергопотребление в домах составляет 400-600 кВт·ч/год на квадратный метр. К 2020 году в России планируется сократить энергопотребление на 45% за счет повышения энергоэффективности и энергозащиты зданий.

Как известно, наибольшие теплопотери здания происходят через ограждающие конструкции – стены.

Автором предложено для повышения энергоэффективности малоэтажных зданий использовать многослойную конструкцию «Сельская стена», которая симметрична относительно продольно оси и состоит из 5 слоев: утеплителя из органического материала, двух контактных слоев из соломобетона и двух несущих слоев армированного торкрет-бетона (рис. 1, а, б) [8].

Для утеплителя предложено использовать органический материал – пшеничную или ржаную солому, в виде прессованных блоков. Органический утеплитель относится к экологически чистым, ежегодно возобновляемым местным материалам. Солома, как и древесина, имеет трубчатую структуру. Пустотелые трубчатые стебли соломы могут выдерживать огромные перепады температур без нарушения влажностного режима. Поэтому, как показала широкая практика строительства сельских и пригородных малоэтажных домов за рубежом (Белоруссия, Канада, США), такой утеплитель широко используют в качестве альтернативы современным более дорогим теплоизоляционным материалам.

Рисунок 1. Новая многослойная конструкция «Сельская стена»: а– общий вид; б – поперечный разрез: 1—армированный торкрет-бетон, 2 – органический утеплитель; 3 – контактный слой, 4 – связи

Несущие слои многослойной конструкции «Сельская стена» выполнены из армированного торкрет-бетона. Проведенный сравнительный анализ применения обычного бетона и торкрет-бетона в проектах усиления, реконструкции и строительства зданий и сооружений, в которых принимал участие автор данной работы, показал ряд значительных преимуществ последнего: по прочности на осевое растяжение (до 50%), на срез (до 10%), на сжатие (до 70%), по водонепроницаемости (до 20%), морозостойкости (до 30%), трещиностойкости (до 40%) и долговечности (до 20%) [6].

Поэтому для создания несущих слоев многослойной конструкции «Сельская стена» бетон укладывался с помощью набрызга под давлением, что позволило создать уплотненные тонкостенные несущие слои из железобетона бетона не только повышенной надежности без применения опалубки, но и долговечности. Состав торкрет-бетона принимается в зависимости от специфики проектируемого здания. За счет давления в 1-2 ат. при торкретировании и неполной сплошности органического материала, на границе несущих и теплоизоляционного слоев происходит образование контактного слоя.

Контактные слои – это промежуточные слои на границе несущего слоя и утеплителя, образование которых происходит одновременно с формированием внешних несущих слоев из торкрет-бетона и которые характеризуются свойствами как утеплителя, так и несущих слоев, а также обеспечивают эффективный переход по жесткости органического утеплителя и несущим слоям бетона. Контактный слой играет роль пароизоляции.

Таким образом, формообразование многослойной конструкции «Сельская стена» заключается в образовании единой многослойной конструкции с одновременным формированием слоев переменной жесткости и функционального назначения.

Предложенная многослойная конструкция стены предназначена для строительства энергоэффективных одно-, двухэтажных зданий различного функционального назначения.

Исследования температурно-влажностного режима конструкции «Сельская стена» показали, что сопротивление теплопередаче в 2,3 раза больше нормативного значения для региона Поволжья и свидетельствует об энергоэффективности нового конструктивного решения. Наличие контактного слоя позволило переместить точку росы со слоя утеплителя на границу между несущим слоем и контактным слоем [5]. По пожарной безопасности многослойная стена соответствует II классу степени огнестойкости. Применение торкрет-бетона в несущих слоях позволило на 20% повысить пожаробезопасность [4]. При этом срок службы зданий с такой конструкцией стены составляет от 45 до 85 лет [7].

Для оценки напряженно-деформационного состояния новой многослойной конструкции «Сельская стена» был разработан алгоритм расчета и программа на его основе [2].

Для сравнительной оценки энергетической эффективности предложенного конструктивного решения и современных ограждающих конструкций стен был разработан эскизный проект жилого дома для г. Балаково Саратовской области (рис. 2). На основе объемно-планировочного решения и теплотехнических характеристик рассчитаны энергетические паспорта жилого дома с различными конструктивными решениями стен здания, по методике СНиП 23-02-2003 [10] посчитаны общие теплопотери здания за отопительный период (МДж) и расчетный удельный расход за отопительный период (МДж/м²) (рис. 3, 4) [3].

Рисунок 2. Энергоэффективный жилой дом

Рисунок 3. Теплопотери в здании через 1 м² стены за отопительный период, кВтч

Рисунок 4. Оценка энергоэффективности малоэтажных зданий а – общие теплопотери здания за отопительный период, МДж; б – расчетный удельный расход за отопительный период, МДж/м²

Применение органического утеплителя [12] приведет к повышению энергоэффективности здания в течение года на 30%, в течение жизненного цикла здания – на 60%.

Таким образом, использование в малоэтажных зданиях конструкции «Сельская стена» приведет к сокращению теплопотерь через стены до 50%, общих теплопотерь здания за отопительный период до 9% и снижению удельного расход тепловой энергии за отопительный период до 12%.

Современные конструктивные решения зданий и инженерных коммуникаций могут позволить проектировать дома с низким потреблением энергии.

Строительство энергоэффективных малоэтажных зданий возможно при использовании многослойной конструкции «Сельская стена», так как применяется повышенная теплоизоляция, минимизация температурных мостиков. Повысить энергоэффективность данного конструктивного решения помогут энергоэффективные окна, система солнечных батарей, низкий уровень проникновения воздуха извне (инфильтрация), приточная вентиляция с рекуперацией теплоты, а также использования в качестве отопления теплые полы (рис. 5).

Рисунок 5. Низкоэнергетический жилой дом

Системы солнечных батарей снижают расход электроэнергии. При сроке полной окупаемости оборудования 20 лет, стоимость электроэнергии от автономной солнечной электростанции составит от 8 до 20 рублей за кВт*час в зависимости от комплектации системы и региона [1].

При использовании системы напольного отопления тепло распространяется по помещению таким образом, что неотапливаемым остается пространство под потолком, и, кроме того, пол перестает быть теплопоглощающей поверхностью. В итоге уровень экономии энергии составляет 10-15% в стандартных помещениях, а в случае с помещениями с высокими потолками достигает 50% [11].

Рекуперация тепла или обратное получение тепла – это процесс теплообмена, при котором тепло забирается от вытягиваемого выбрасываемого воздуха и передается свежему нагнетаемому воздуху, который нагревается. Процесс проходит в рекуперационном теплообменнике таким образом, что выбрасываемый и свежий воздух абсолютно отделены друг от друга, чтобы не произошло их смешивание. Важной характеристикой рекуператора является коэффициент эффективности рекуперации. Коэффициент эффективности рекуперации тепла выражает отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности.

Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90%. Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора [9].

Применение конструкции «Сельская стена» в комплексе с инженерными технологиями энергосбережения в жилых малоэтажных зданиях позволит:

1. Сократить теплопотери через стены до 50%, общие теплопотери здания за отопительный период до 9% и снизить удельный расход тепловой энергии за отопительный период до 12%.

2. Повысить энергоэффективность здания в течение года на 30%, за счет использования органического утеплителя из прессованных соломенных блоков в крыше, перекрытиях и стенах.

3. Снизить до 70% затраты на электроэнергию за счет использования солнечных батарей.

4. Применить теплый пол в сумме с другими технологиями, что позволит сократить энергопотребление потребление на 20-30%

5. Рекуперировать тепло, что сохранит до 20% используемой электроэнергии.

Список литературы:

1. Автономные системы электроснабжения в гор. Саратов / : URL: http://avtonomka64.ru.

2. Голова Т.А., Виштак О.В., Фролов Д.А. Определение напряженно– деформационного состояния многослойной конструкции стены малоэтажного здания // Zbior raportow naukowych. «KNOWLEDGE SOCIETE» (30.10.2-14-31.10.2014) – Warszawa, 2014. – С. 8—16.

3. Голова Т.А., Денисова А.П. Энергоэффективность многослойной конструкции «Сельская стена» при проектировании малоэтажных зданий // Инженерно-строительный журнал. – 2014. – № 8. – С. 9—19.

4. Денисова А.П., Емельянова Т.А. Многослойная стена малоэтажного здания // Наука: XXI век. – 2012. – № 1(17). – С. 53—59.

5. Денисова А.П., Емельянова Т.А. Опыт применения торкрет-бетона // Гражданское строительство. – 2011. – № 39. – С. 14—15.

6. Емельянова Т.А., Денисова А.П. Новый «старый» торкрет-бетон// Промышленное и гражданское строительство. – 2009. – № 9. – С. 55—57.

7. Емельянова Т.А., Денисова А.П. Оценка долговечности новой многослойной конструкции стены малоэтажных зданий // Молодой ученый. – 2012. – № 12. – С. 61—63.

8. Пат. № 98441. РФ. Многослойный строительный элемент / Т.А. Емельянова, А.П. Денисова // БИ. – 2010. – № 29.

9. Рекуперация тепла / : URL: http://www.atrea.ru/ru/rekuperatsiya-tepla.

10. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий (действующая редакция). [Текст]. – Введ. 01.10.2003. – М.: АО «ЦПИТЗС ЦНИИСК». 2003. – 48 c.

11. Теплые полы (обогрев помещений) / : URL: http://www.thm-npo.ru/zadachi/teplie_poli_obogrev_pomescheniy/.

12. Широков Е.И. Экодом нулевого энергопотребления: реальный шаг к устойчивому развитию // Архитектура и строительство России. – 2009. – № 2. – С. 35—39.

13. Штефан К. О применении опыта энергосбережения Германии в России / : URL: www.rf-energy.ru/.