Улучшение теплофизических показателей ограждений для повышения энергоэффективности зданий



В статье рассматриваются подходы к повышению теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий для повышения их энергоэффективности.

Ключевые слова : энергоэффективность, ограждающие конструкции, теплоизоляция, теплофизические характеристики, теплопотери, здания.

The article discusses approaches to improving the thermophysical characteristics of building envelopes to improve their energy efficiency.

Keywords: energy efficiency, enclosing structures, thermal insulation, thermophysical characteristics, heat loss, buildings.

Введение. Энергоэффективность зданий является одной из ключевых задач современного строительства и эксплуатации объектов недвижимости. В условиях глобального потепления, растущих цен на энергоресурсы и необходимости снижения углеродного следа вопросы повышения энергоэффективности становятся особенно актуальными.

Современные исследования и практические подходы направлены на разработку и применение инновационных решений для повышения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций. Это включает использование энергоэффективных материалов, внедрение многослойных систем с низкой теплопроводностью, а также совершенствование систем утепления, герметизации и оптимизации тепловых потоков. Важным элементом повышения энергоэффективности зданий также является правильная организация систем отопления и вентиляции, обеспечивающих комфортные условия проживания и минимизацию теплопотерь.

Анализ методов определения коэффициента паропроницаемости строительных материалов

Коэффициент паропроницаемости является одним из ключевых факторов, определяющих процессы влагопереноса в строительных материалах. Для применения большинства математических моделей требуется экспериментальное определение этого коэффициента. Исследование характеристик паропроницаемости играет важную роль, так как данный показатель определяет влажностный режим ограждающих конструкций зданий [1–3].

Методику экспериментального определения паропроницаемости отработал К. Ф. Фокин [3]. Методика Фокина позволяет количественно оценивать способность материалов пропускать водяной пар, что является ключевым фактором при проектировании энергоэффективных и долговечных строительных конструкций. Его подходы используются для определения коэффициентов паропроницаемости различных материалов, что способствует предотвращению накопления влаги в конструкциях и повышению их эксплуатационных характеристик.

Методы определения коэффициента паропроницаемости регламентируются стандартом СТ РК 25898–2014 , который аналогичен ГОСТ 25898–2012 [4], но адаптирован под местные условия. Однако коэффициент паропроницаемости в эксплуатационных условиях может отличаться от значений, полученных лабораторным путем. Одним из важных факторов, который не учитывается в стандартной методике, является движение воздуха над поверхностью образца.

Одна из разработок, принадлежащих В. Н. Куприянову и А. С. Петрову [5]. Установка представляет собой термостат, который устанавливается на электронные весы. Термостат заполняется теплоносителем, в него вставляется чашка с испытуемым образцом и нагреватель. Над поверхностью образца параллельно поверхности образца вентилятором создается поток воздуха.

Другим фактором, влияющим на паропроницаемость, является сорбционная влажность материалов [6, 8].

В. М. Ильинский предложил использовать зависимость коэффициента паропроницаемости от его сорбционной влажности:

(1)

где — коэффициент паропроницаемости при относительной влажности кг/(м⋅с⋅Па); — коэффициент паропроницаемости при относительной влажности 80 %, кг/(м⋅с⋅Па); — равновесная влажность материала при относительной влажности; – равновесная влажность материала при относительной влажности 80 %.

Отдельный интерес вызывают исследования G. H. Galbraith, R. C. McLean и D. Kelly [9]. Авторы рассматривали определение коэффициента паропроницаемости под действием различного барометрического давления.

Таким образом, его методика позволяла выделять вклад штукатурного слоя в общее сопротивление паропроницаемости фасадной системы. Это имеет важное значение для точного расчёта влажностного режима стен и предотвращения накопления влаги, что влияет на долговечность и энергоэффективность зданий.

Влияние влажностного режима ограждающей конструкции на ее теплозащитные свойства и энергосбережение здания

Одним из ключевых результатов анализа влажностного состояния ограждающих конструкций является определение их эксплуатационной влажности. Повышенный уровень эксплуатационной влажности приводит к увеличению теплопроводности материала, что, в свою очередь, способствует росту тепловых потерь здания [6]. Это негативно сказывается на энергоэффективности и может привести к дополнительным затратам на отопление.

Для повышения энергоэффективности зданий крайне важно проектировать ограждающие конструкции с минимально возможной эксплуатационной влажностью [8, 7]. Этого можно добиться путём использования материалов с низкой способностью к влагонакоплению, обеспечения надлежащей пароизоляции и учёта климатических условий региона. Также важным аспектом является правильная организация вентиляции и использование паропроницаемых утеплителей, которые способствуют выводу влаги, предотвращая её накопление внутри конструкции.

В настоящее время действует СНиП РК 2.04–21–2004 [2], который предполагает определение зон влажности по климатической карте: сухая, нормальная, мокрая, а также выбор влажностного режима эксплуатации помещения здания в зависимости от температуры и относительной влажности внутреннего воздуха: сухой, нормальный, влажный, мокрый [8]. Существует метод, предполагающий назначение эксплуатационной влажности по изотерме сорбции [9].

Особенности применения методов в Казахстане климатическая специфика: на севере страны необходимы конструкции с высоким сопротивлением паропроницаемости, чтобы избежать накопления влаги внутри стен в зимний период. На юге важна способность материалов быстро выводить влагу, чтобы избежать перегрева и повышения влажности внутри зданий.

Энергосбережение учет паропроницаемости материалов позволяет снизить теплопотери в отопительный сезон.

Выводы. Рассмотрена общая постановка задачи тепло-влагопереноса, основанная на уравнении теплопроводности с краевыми условиями теплообмена третьего рода на границах ограждающей конструкции и условием неразрывности потока теплоты между слоями. Также учтено условие непрерывности теплового потока между слоями конструкции. Описан подход строительной теплофизики, предполагающий раздельное рассмотрение механизмов влагопереноса [5].Изучены расчеты, направленные на предотвращение переувлажнения ограждающих конструкций. Приведён обзор существующих устройств для измерения коэффициента паропроницаемости [2, 4–7]. В качестве основных факторов, влияющих на паропроницаемость материалов, выделены: движение воздуха, сорбционная влажность материала, температура и барометрическое давление.

Особое внимание уделено необходимости разработки методов для расчета нестационарного влажностного режима ограждающих конструкций на основе потенциала влажности. Подчеркивается важность упрощения определения плоскости максимального увлажнения в рамках методик защиты от переувлажнения, а также проверки корректности переноса экспериментальных данных, полученных методом «мокрой чаши», на вертикально ориентированные ограждающие конструкции. Кроме того, отмечается необходимость разработки стандартных значений эксплуатационной влажности.

Литература:

1. СНиП РК 2.04–21–2004. Тепловая защита зданий. — Астана, 2004.
2. СТ РК 25898–2014. Прокат холоднокатаный тонколистовой кровельный. Технические условия
3. Фокин, К. Ф. Новые данные о паропроницаемости строительных материалов / К. Ф. Фокин // Проект и стандарт. — 1936. — № 8–9. С. 19–24.International Energy Agency. Energy Efficiency Indicators 2022: Buildings Sector. — Paris: IEA Publications, 2022.
4. ГОСТ 25898–2012-Материалы и изделия строительные. Методы определения паропроницаемости и сопротивления паропроницанию. — М.: Стандартинформ, 2014. –15 с.
5. Влияние различной скорости движения воздуха на паропроницаемость теплоизоляционных материалов / В. Н. Куприянов, А. С. Петров // Строительные материалы. — 2013. — № 6. — С. 20–21..
6. Иванов, П.А., Сидоров, Е. В. Повышение энергоэффективности зданий с использованием инновационных утеплителей // Строительные материалы. — 2021. — № 5. — С. 32–38.
7. Евдокимова, Л. В. Современные подходы к проектированию ограждающих конструкций / Л. В. Евдокимова. — СПб.: Наука и техника, 2019.
8. Пастушков, П. П. Влияние влажностного режима ограждающих конструкций с наружными штукатурными слоями на энергоэффективность теплоизоляционных материалов: дис. … канд. техн. наук: 05.23.03 / Пастушков Павел Павлович. — М., 2013. — 169 с.
9. Galbraith, G. H. Moisture permeability measurements under varying barometric pressure — Experimental methodology is developed for measuring moisture permeability of vapour and liquid / G. H. Galbraith, R. C. McLean, D. Kelly // Building research and information. — 1997. — Vol. 25. — № 6. — P. 348–353.