ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ КАРКАСНО-ПАНЕЛЬНОГО ДОМОСТРОЕНИЯ

Смолий В.А.

доцент кафедры «Общая химия и технология силикатов», к.т.н.

 Косарев А.С.  

м.н.с. НИИ Электромеханики

 Яценко Е.А.

заведующая кафедрой «Общая химия и технология силикатов»,

д.т.н., профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», Россия, г. Новочеркасск

 

Аннотация. Рассмотрены преимущества применения энергосберегающих трехслойных панелей для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения по сравнению с конструкциями из кирпича и монолитного железобетона. Приведены результаты расчета толщины и коэффициент теплопроводности стен из керамического кирпича, монолитного железобетона и энергосберегающей трехслойной панели для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения; расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период и эксплуатационные затраты на отопление здания.

Ключевые слова: энергосберегающие трехслойные панели, коэффициент теплопроводности,  конструкционно-теплоизоляционный  легкий  бетон, теплоизоляционные плиты из ячеистого стекла.

 

В связи с ужесточением предъявляемых требований к строительным теплоизоляционным материалам и развитием технологий быстровозводимых зданий в современном российском крупнопанельном домостроении получили распространение трехслойные стеновые панели для жилых и общественных зданий с эффективным утеплителем, выпускаемые домостроительными комбинатами по ГОСТ 31310-2005. Российские технологии производства трехслойных строительных панелей качественно не отличаются от мировых, где наибольшее распространение получили так называемые сендвич-панели, в которых в роли утеплителя применяются в основном вспененные органические полимеры. Это достаточно недорогой способ возведения ограждающей конструкции, обладающих высокой тепловой эффективностью, сравнительно небольшой толщиной и, соответственно, весом стеновой конструкции. Однако, трехслойные стены, кроме достоинств, обладают и рядом недостатков: высокая трудоемкость и многостадийность их возведения, а также недостаточно изученный и проверенный вопрос поведения и долговечности различных типов теплоизоляционных материалов. Чаще всего в качестве теплоизоляционного слоя используются пенополистирол, пенополиуритан, минераловатные плиты и маты и другие органические горючие материалы, относящиеся к классу горючести Г2-Г4 и имеющие срок эксплуатации не более 25 лет.

Поэтому разработка многослойных пенелей, обладающих всеми преимущества популярных теплоизоляционных материалов и лишенных их недостатков, позволит при комплексном подходе к вопросам технологии, менеджмента и инвестирования со временем вытеснить традиционно используемые и небезопасные горючие теплоизоляционные материалы. Одним из таких направлений исследований является разработка трехслойных стеновых панелей на основе материалов из ячеистого стекла (теплоизоляционные плиты и заполнитель пористый для легких бетонов и теплоизоляционных засыпок), полученных в результате выполнения работ по стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2015-2017 годы № СП-1219.2015.1 «Разработка технологии производства эффективного энергосберегающего ячеистого теплоизоляционного строительного стекломатериала». В трехслойных стеновых панелях с утеплителем (ГОСТ 31310-2005), в качестве среднего теплоизоляционного слоя будут использованы экспериментальные образцы теплоизоляционных плит из ячеистого стекла на основе ЗШО, а в качестве внутреннего и наружного слоев – экспериментальные образцы конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона по ГОСТ 25820-2000 с пористым заполнителем на основе ЗШО. Наружный слой продукта будет предусматривать возможность применения декоративного покрытия.

Для наглядного обоснования эффективности применения разрабатываемых трехслойных панелей произведен расчет ограждающих конструкций зданий согласно данным Ростовской области, в т.ч. по климатическим характеристикам данного региона.

Основной характеристикой ограждающих конструкций, таких как стены, кровля, и покрытия (пол) подвала или первого этажа (в зависимости от наличия подвала в здании) является коэффициент теплопередачи K. Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции складывается из коэффициентов теплопередач слоев материалов, которые составляют саму ограждающую конструкцию. Коэффициент теплопередачи Ki, Вт/м2∙К, ограждающей конструкции был рассчитан по формуле (1):

                                                 (1)

где Ri – коэффициент сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, м2∙К/Вт.

Коэффициент сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции Ri, м2∙К/Вт, был рассчитан по формуле (2):

                                      (2)

где Rsi – коэффициент сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции у внутренней поверхности, м2∙К/Вт; Rse – коэффициент сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции у внешней поверхности, м2∙К/Вт; δi – толщина i-го слоя материала, м; λi – коэффициент теплопроводности i-го слоя материала, Вт/м2∙К.

Для корректной оценки применения энергосберегающих трехслойных панелей в гражданском и промышленном строительстве было проведено сравнение различных материалов при одинаковых внешних условиях. В качестве типичного объекта строительства был взят коттедж площадью
240 м2, имеющий два этажа, двухскатную крышу, без подвала. Традиционно применяется вариант строительства стен из кирпичной кладки, в основном из керамического кирпича. Также довольно популярны монолитные железобетонные конструкции. Проведено сравнение всех трех вариантов ограждающих конструкций при одинаковых внешних условиях.

В таблице 1 представлены варианты рассчитываемых ограждающих конструкций здания.

Таблица 1. Варианты ограждающих конструкций (стен) здания

Наименование материала ограждающей конструкции – стены

Толщина, мм

Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К

1 Керамический кирпич

370

0,65

2 Монолитный железобетон

370

2,3

3 Конструкция энергосберегающей трехслойной панели для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения (вариант 1):

- внутренний слой (350×350×100)±5 мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3;

- теплоизоляционный слой (350×350×100)±5 мм: экспериментальный образец теплоизоляционной плиты из ячеистого стекла;

- наружный слой (350×350×100)±5мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3 с декоративной отделкой

300

0,18

4 Конструкция энергосберегающей трехслойной панели для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения (вариант 2):

- внутренний слой (350×350×125)±5 мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3;

- теплоизоляционный слой (350×350×100)±5 мм: экспериментальный образец теплоизоляционной плиты из ячеистого стекла;

- наружный слой (350×350×125)±5мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3 с декоративной отделкой

350

0,21

5 Конструкция энергосберегающей трехслойной панели для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения (вариант 3):

- внутренний слой (350×350×150)±5 мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3;

- теплоизоляционный слой (350×350×100)±5мм: экспериментальный образец теплоизоляционной плиты из ячеистого стекла;

- наружный слой (350×350×150)±5 мм: экспериментальный образец конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотностью не более 1000 кг/м3 с декоративной отделкой

400

0,23

Коэффициенты теплопроводности керамического кирпича и монолитного железобетона были выбраны в соответствии с Приложением № 2 СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника». Обоснованием эффективности применения энергосберегающих трехслойных панелей считается достижение более низких значений теплопотерь здания, по сравнению с традиционно применяемыми конструктивными решениями, например, кирпичной кладкой или монолитной бетонной конструкцией. Более низкие значения теплопотерь обуславливают и пониженные эксплуатационные затраты на поддержание необходимого температурного режима в помещении. Оптимальный уровень температуры внутреннего воздуха регламентируется ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» и установлен на уровне плюс 21 ˚С. Также дя обоснования и оценки эффективности применения энергосберегающих трехслойных панелей сравнивались эксплуатационные затраты на отопление здания в течение одного отопительного периода при одинаковых условиях, т.е. с использованием одного теплогенератора. В связи с популяризацией технических средств на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в качестве теплогенератора выбран геотермальный парокомпрессионный тепловой насос с коэффициентом преобразования «3», т.е. при затраченном 1 кВт∙ч, электрической энергии тепловой насос вырабатывает 3 кВт∙ч тепловой энергии. В таблице 2 представлено значение расхода тепловой энергии на отопление здания площадью 240 м2 для различных вариантов исполнения ограждающих конструкций.

Таблица 2. Расход тепловой энергии на отопление за отопительный период

Вариант ограждающей конструкции

Расход тепловой энергии на отопление за отопительный период, кВт∙ч

Керамический кирпич

77 800

Монолитный железобетон

142 954

Трехслойная  панель – вариант № 1

38 937

Трехслойная  панель – вариант № 2

44 236

Трехслойная  панель – вариант № 3

43 392

 

Для определения эксплуатационных затрат потребителя дома и обоснования эффективности применения тех или иных материалов ограждающих конструкций, необходимо представить данные в пересчете на рубли. Согласно Постановлению Региональной службы по тарифам Ростовской области от 25.12.2014 г. Ростов-на-Дону № 85/32 «Об установлении цен (тарифов) на электрическую энергию для населения и приравненным к нему категориям потребителей по Ростовской области» на 01 апреля 2018 года одноставочный тариф на электрическую энергию для населения составляет
3,5 рубля за 1 кВт∙ч.

Для наглядной демонстрации объема эксплуатационных затрат дома и обоснования эффективности применения тех или иных материалов ограждающих конструкций, данные таблицы 2 были представлены в пересчете на рубли – таблица 3. Полученные значения эксплуатационных затрат на отопление здания площадью 240 м2 для различных вариантов исполнения ограждающих конструкций сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Эксплуатационные затраты на отопление здания

Вариант ограждающей конструкции

Эксплуатационные затраты на отопление здания за отопительный период, руб.

Керамический кирпич

90 766,70

Монолитный железобетон

166 799,70

Трехслойная  панель – вариант № 1

45 426,50

Трехслойная  панель – вариант № 2

51 608,67

Трехслойная  панель – вариант № 3

50 604,00

 

Анализируя проведенный расчет, можно сделать вывод об эффективности применения энергосберегающих трехслойных панелей для жилых и общественных объектов каркасно-панельного домостроения, поскольку потребитель типового двухэтажного коттеджа площадью 240 м2, используя данные конструкции, тратит на отопление здания в отопительный период от 55 426,5 руб. до 51 608,7 руб. в зависимости от варианта исполнения панелей, что существенно ниже эксплуатационных затрат при использовании керамического кирпича либо монолитного железобетона, при 90 766,7 руб. и 166 799,7 руб. соответственно.

Так, по сравнению с вариантом ограждающих конструкций из керамического кирпича, экономия при использовании энергосберегающих трехслойных панелей для жилых и общественных объектов каркасно-панельного домостроения составляет   49,95; 43,14 и  44,24%, соответсвенно, сравнивая с вариантами № 1, № 2, № 3. По сравнению с вариантом ограждающих конструкций из монолитного железобетона экономия при использовании энергосберегающих трехслойных панелей для жилых и общественных объектов каркасно-панельного домостроения составляет 72,77; 69,06 и 69,66 %, сравнивая соответственно с вариантами № 1, № 2, № 3.

В денежном выражении экономия затрат на отопление здания за отопительный период от применения энергосберегающих трехслойных панелей для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения вариантов № 1, № 2, № 3 соответственно составляет:

- по сравнению с конструкцией из керамического кирпича – 45 340,2 руб.; 39 158,0 руб.; 40 162,7 руб.

- по сравнению с конструкцией из монолитного железобетона – 121 373,2 руб.; 115 191,0 руб.; 116 195,7 руб.

Таким образом, эффективность применения энергосберегающих трехслойных панелей для жилых и общественных объектов каркасно-панельного домостроения гораздо выше по сравнению с конструкциями из кирпича и монолитного железобетона. Разработка технологии энергосберегающих трехслойных панелей для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения является перспективной и актуальной задачей дальнейших научных следований.

Данная научно-исследовательская работа выполнена в ЮРГПУ(НПИ) в рамках стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2018-2020 годы, № СП-1296.2018.1 (Смолий В.А.), тема: «Разработка технологии производства энергосберегающих трехслойных панелей для энергоэффективных жилых и общественных объектов крупнопанельного и каркасно-панельного домостроения».

Список литературы:

1.    Казьмина О.В., Верещагин В.И., Абияка А.Н. Пеностеклокристаллические материалы на основе природного и техногенного сырья. - Томск : Изд-во Томского политехнического ун-та, 2014. – 245 с.

2.    Косарев А.С., Смолий В.А., Яценко Е.А., Гольцман Б.М. Технологические особенности получения ячеистого стекла, применяемого в качестве теплоизоляционного слоя в силикатном многослойном композиционном теплоизоляционно-декоративном материале // Техника и технология силикатов. – 2016. – № 4. – С. 2-7.

3.    Минько Н.И., Пучка О.В., Степанова М.Н., Вайсера С.С. Теплоизоляционные стекломатериалы. Пеностекло. 2-е издание, исправленное. Белгород : БГТУ им. В. Г. Шухова, 2016. – 261 с.

4.    Смолий В.А., Яценко Е.А., Косарев А.С., Гольцман Б.М. Силикатный многослойный композиционный теплоизоляционно-декоративный материал // Научное обозрение. – 2017. – № 22. – С. 16-23.

5.    Яценко Е.А., Зубехин А.П., Смолий В.А. и др. Ресурсосберегающая технология теплоизоляционно-декоративного стеклокомпозиционного материала на основе золошлаковых отходов // Стекло и керамика. – 2015. – № 6. – С. 34- 38.

Сведения об авторах:

Смолий Виктория Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Общая химия и технология силикатов», e-mail: vikk-toria@yandex.ru, тел.:+79185912486

Косарев Андрей Сергеевич, младший научный сотрудник НИИ Электромеханики, e-mail: zmeelov-86@mail.ru

Яценко Елена Альфредовна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Общая химия и технология силикатов», e-mail: e_yatsenko@mail.ru

EFFICIENCY OF APPLICATION OF ENERGY-SAVING SANDWICH PANELS FOR RESIDENTIAL AND PUBLIC BUILDINGS PREFAB BUILDING

Smoliy V.A., Kosarev A.S., Yatsenko E.A.

Abstract. The advantages of using energy-saving three-layer panels for energy-efficient residential and public facilities of large-panel and frame-panel housing construction in comparison with brick and monolithic reinforced concrete structures are considered. The results of calculation of the thickness and thermal conductivity coefficient of ceramic brick walls, monolithic reinforced concrete and energy-saving three-layer panel for energy-efficient residential and public facilities of large-panel and frame-panel housing construction are presented; heat energy consumption for heating during the heating period and operating costs for heating the building.

Keywords: energy-saving three-layer panels, thermal conductivity coefficient, structural and heat-insulating lightweight concrete, heat-insulating plates made of cellular glass.

References:

1.    Kaz'mina O.V., Vereshchagin V.I., Abiyaka A.N. Penosteklokristallicheskiye materialy na osnove prirodnogo i tekhnogennogo syr'ya [Foam-glass crystalline materials based on natural and technogenic raw materials]. Tomsk : Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo un-ta, 2014. 245 s.

2.    Kosarev A.S., Smoliy V.A., Yatsenko E.A., Gol'tsman B.M. Tekhnologicheskiye osobennosti polucheniya yacheistogo stekla, primenyayemogo v kachestve teploizolyatsionnogo sloya v silikatnom mnogosloynom kompozitsionnom teploizolyatsionno-dekorativnom material [Technological features of the production of cellular glass, used as a heat-insulating layer in a silicate multilayer composite heat-insulating and decorative material] // Tekhnika i tekhnologiya silikatov. 2016. № 4. S. 2-7.

3.    Min'ko N.I., Puchka O.V., Stepanova M.N., Vaysera S.S. Teploizolyatsionnyye steklomaterialy. Penosteklo [Thermal insulation glass materials. Foam glass]. 2-e izdaniye, ispravlennoye. Belgorod : BGTU im. V. G. Shukhova, 2016. 261 s.

4.    Smoliy V. A., Yatsenko E. A., Kosarev A. S., Goltsman B. M. layered Silicate composite thermal insulation decorative material // Scientific review. 2017.  No. 22. C. 16-23.

5.    Yatsenk oE. A., Zubekhin A. P., Smolii V. A. et al. Resource-Conserving Technology of Heat-Insulation-Decorative Glass-Composite Material Based on Ash-Slag Wastes// GlassandCeram. 2015. V. 72. N 5 – 6. P. 216 – 219.