Основы научно - исследовательской деятельности и перспективы развития теплоэнергетической отрасли

Применение недостаточной, малоэффективной теплоизоляции, либо неправильное ее размещение закономерно приводит к ухудшению параметров микроклимата помещений. Надо заметить, что по строительным нормативам параметры микроклимата жилых помещений могут меняться в достаточно узких пределах: температура около 20±2^oС, допустимая влажность от 20 до 60%, скорость движения воздуха не более 0,2 м/сек. Поэтому очень важно использовать такие конструктивные теплоизоляционные решения, которые могли бы существенно снизить нагрузки на оборудование отопления и кондиционирования. Прежде всего, обозначим наиболее проблемные с точки зрения теплопотерь конструкции в типичном жилом или офисном помещении.  Установлено, что до двух третей всех теплопотерь происходит через внешнюю стену и окна (наружные ограждающие конструкции), поскольку они имеют наибольшие площади контакта с окружающей средой. Также весьма ощутимая доля теплопотерь (до 25%) приходится на покрытия, также на внутренние стены, поскольку в местах контакта плит перекрытий с несущими стенами, в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок образуются так называемые «мостики холода» - участки интенсивного теплообмена с окружающей средой. При образовании разности температур между внутренней и наружной поверхностями ограждения, в материале ограждения возникает тепловой поток, направленный в сторону понижения температуры. Причем, теплопотери тем больше, чем меньшее термическое сопротивление имеет конструкция. Для обеспечения требуемого термического сопротивления стен и перекрытий возникает необходимость в наличии эффективного теплоизоляционного слоя из материала с малой теплопроводностью.

Так, к примеру, слой минераловатного  утеплителя толщиной 50мм по своим теплоизоляционным  свойствам сравним со сплошной кирпичной  кладкой толщиной 890 мм.  В современном строительстве находят применение широкий спектр теплоизоляционных материалов, различающихся физико-химическими свойствами и, соответственно, технико-эксплуатационными характеристиками. По структуре твердой основы теплоизоляционные материалы можно четко разделить на волокнистые (природным прототипом которых является дерево или хлопок) и ячеистые (по сути своей – твердые пены). 

В волокнистых материалах, как правило, используется твердая  основа минерального происхождения - это  могут быть базальтовые горные породы или стекло. А в ячеистых (вспененных) материалах могут использоваться как минеральные компоненты, так и органические полимеры. В этой группе наибольшее распространение получили теплоизоляционные материалы на основе пенополистирола (вспененного или экструдированного), пенополиуретана, пенобетона, вспененного стекла и т.п.

Каждое конкретное теплотехническое решение предъявляет к теплоизоляционному материалу набор специфических  требований, зависящих от условий  его эксплуатации. В соответствии с этими требованиями и осуществляется выбор типа материала.

Мы рассмотрим наиболее распространенные решения для уменьшения теплопотерь через наружные стены, окна, внутренние стены и перекрытия и укажем подходящие для этих решений  теплоизоляционные материалы и технологии.

3.1.1 Теплоизоляция  внешних стен

Обзор возможных решений  для утепления внешних стен начнем с наиболее простой схемы с  расположением теплоизоляционного слоя на внутренней поверхности несущих  конструкций. Такой способ утепления  порой представляется единственно возможным, например, в зданиях со сложными в архитектурном плане фасадами, представляющими художественную или историческую ценность. В данном случае теплоизоляционные мероприятия могут быть произведены избирательно, только в некоторых помещениях здания и с относительно небольшими финансовыми затратами.  Однако, в таком способе теплоизоляции есть и негативные стороны. Прежде всего, это некоторое уменьшение полезной площади помещений. Кроме того, данный способ утепления подразумевает специальные мероприятия (пароизоляция, воздушные зазоры), препятствующие конденсации водяного пара в ограждающей конструкции.

Следующие схемы утепления  – с расположением теплоизоляционного слоя снаружи несущей стены. Они  применимы для теплоизоляции  вновь возводимых и реконструкции ранее построенных зданий и предусматривают устройство многослойных фасадных систем, которые значительно улучшают температурно-влажностный режим существующих наружных ограждений. Монтаж таких систем возможно проводить даже без отселения жильцов.

Система наружного утепления  «мокрого» типа с тонкой штукатуркой  состоит из нескольких последовательно  накладываемых слоев: утеплителя, крепящегося  на несущую конструкцию, клеевого состава  с армирующей стеклопластиковой  сеткой, базового и декоративного слоев штукатурки. Эта система предъявляет повышенные требования к таким свойствам утеплителя как водопоглощение и теплопроводность. Поэтому в качестве утеплителя здесь используются минераловатные плиты из базальтового волокна, вспененный пенополистирол и реже плиты из экструдированного пенополистирола.

Несколько отличается от вышеописанной система с толстой  штукатуркой – в данном случае утеплитель накалывается на анкеры с  шарниром, затем накладывается сварная  сетка из нержавеющей стали и  сверху – толстый слой штукатурки.

В обоих случаях предпочтительнее использовать минераловатные плиты  с высокой плотностью (например, гидрофобизированные минераловатные плиты) или двухслойные плиты - с  повышенной плотностью наружного слоя и пониженной плотностью внутреннего. А вот использование пенополистирола, в соответствии с требованиями пожарной безопасности, имеет ряд ограничений. Так, строительными нормативами разрешается использовать полистирольные плиты на фасадах с обрамлением оконных и дверных проемов и межэтажных рассечек из минераловатных плит.

Поскольку паропроницаемость  пенополистирола чрезвычайно мала – во много раз ниже, чем у  минерального волокна – этот материал фактически становится барьером на пути движения пара наружу. Поэтому при  достаточно высокой влажности в помещении встает вопрос о необходимости внутреннего кондиционирования во избежание прогрессирующего отсыревания стен.

Навесные вентилируемые  фасады характеризуются наличием воздушной  прослойки между крепящимся на несущую  конструкцию плитным утеплителем и дождевым экраном, также выполняющим декоративные функции. Утеплитель, используемый в таких системах, должен иметь длительный срок эксплуатации, обладать негорючестью, химической и биологической стойкостью, сохранять стабильную форму и высокие теплоизолирующие характеристики; позволять водяным парам и влаге беспрепятственно походить в воздушную прослойку, предотвращая образование и скопление на конструкциях разрушающего их конденсата.

Перечисленным требованиям  соответствуют жесткие гидрофобизированные минераловатные плиты из базальтовых горных пород. Эти материалы на основе неорганических волокон являются неблагоприятной средой для образования плесневых и других грибков, а также обладают высокими теплотехническими и шумопоглощающими свойствами. 

Может быть использована и двухслойная минераловатная плита: более плотный слой устанавливается  на наружной стороне фасадных конструкций, менее плотный - непосредственно  на несущую стену, так как мягкий слой позволяет утеплителю лучше  прилегать к неровностям утепляемой конструкции.

Для полноты картины  стоит упомянуть весьма популярные в России трехслойные ограждающие  конструкции с расположением  утеплителя средним слоем между  двумя несущими слоями из различных  конструкционных материалов - от древесных панелей до железобетона и кладки из штучных каменных материалов. В широко распространенных панельных многоэтажках массовых серий стеновые конструкции между двумя слоями железобетона содержат утепляющий слой, как правило, из вспененного пенополистирола или минеральной ваты.

К сожалению, ремонтно-восстановительные  работы в таких трехслойных конструкциях невозможны. Поэтому повышение термосопротивления трехслойных панелей в проектах по реконструкции пятиэтажек достигается  устройством описанных выше современных фасадных систем с «толстой штукатуркой».

Дополнительно снизить  теплопотери через ограждающие  конструкции можно, используя напольное  отопление. При радиаторном отоплении  значительная часть тепла передается в помещение за счет конвекции. При  такой передаче тепла в помещениях, прежде всего, нагревается воздух, и создаются условия, при которых температура воздуха оказывается несколько выше средней радиационной температуры всех поверхностей помещения.

При использовании нагревательных приборов с преобладающей теплоотдачей излучением (напольные греющие панели), в помещениях создаются условия, при которых средняя радиационная температура всех поверхностей помещения, включая и греющую, выше температуры воздуха.

Реакция человеческого  организма на соотношения температур воздуха (tв) и средней радиационной температуры помещения (tR) показана на рисунке, из которого следует, что ощущение комфорта у испытуемых появляется при более низкой температуре комнатного воздуха tв, если tr>tв, т.е. при напольном отоплении.

При использовании нагревательных приборов с преобладающей теплоотдачей излучением (напольные греющие панели), в помещениях создаются условия, при которых средняя радиационная температура всех поверхностей помещения, включая и греющую, выше температуры воздуха.

Температура поверхности  пола не превышает 26 градусов при температуре  в помещении 18 – 20 градусов. Теплоотдача  от отопительного прибора, будь то панель в полу или радиатор, зависит от разницы температур на поверхности  отопительного прибора и температуры воздуха в помещении. Если в помещение начинает поступать тепло от дополнительных источников (солнечная радиация, массовое скопление людей, электрооборудование) поступление тепла от панелей в полу уменьшается пропорционально повышению температуры в помещении и при достижении температуры поверхности пола прекращается совсем.

Для радиаторной системы  отопления, где разница между  температурой воздуха и температурой поверхности отопительного прибора  намного больше, изменения теплопоступления при повышении температуры в помещении практически не происходит. Для достижения того же эффекта необходимо оборудовать радиаторы термостатическими головками, однако это не всегда возможно применительно к вертикальным радиаторным системам отопления.

За счет эффекта саморегуляции происходит использование тепла дополнительных источников и, таким образом, снижение энергопотребления от основного источника тепла.

3.1.2 Теплоизоляция  окон

Сокращения теплопотерь через оконные заполнения зданий опорного жилищного фонда можно добиться заменой старых окон на новые или проведением мероприятий, направленных на доведение теплозащитных качеств окон до нормативных требований, действующих в настоящее время.

Замена окон может  быть полная или частичная, она зависит  в основном от конструктивного решения оконного проема (с четвертью или без нее), состояния и конструкции оконной коробки, материала новых окон, проводимой теплозащиты стен и наличия жильцов в доме.

В большинстве зданий опорного жилищного фонда установку  оконных и балконных заполнений производили в стеновые проемы, имеющие четверть или без нее.

Коробку устанавливали  в проем и крепили гвоздями к деревянным пробкам в бетонных стенах или ершами, забиваемыми в  швы кладки в каменных стенах. Защиту сопряжения коробки со стеной от инфильтрации холодного воздуха в каменных и бетонных стенах обеспечивали: верхняя и боковые четверти в проемах; уплотнение зазоров между коробкой и стеной конопаткой; специальные внутренние наличники или штукатурка откосов. В стенах, не имеющих четверти, стык коробки со стеной защищали наружным наличником. Защита коробки от увлажнения и гниения в бетонных и каменных стенах достигалась выполнением ее из сухой антисептированной древесины и наружной оберткой по контуру гидроизоляционным материалом (чаще всего прокладочным рубероидом).

Как уже указывалось, качество окон и срок их эксплуатации зависит от качества монтажа. При  этом материал, из которого изготовлены  окна и балконные двери существенного  значения не имеет, а в большинстве  случаев наибольшее влияние оказывают условия монтажа и квалифицированное и правильное его выполнение, в том числе учет практического опыта, собственных ошибок, извлеченных из неудачных примеров модернизации.

При замене оконных и  балконных заполнений необходимо сделать  правильный выбор между полной и частичной заменой окон. Он производится на основе изучения всех возможных технологий монтажа.

Полная разборка старых окон является правильным решением в  тех случаях, когда выполнение этой работы не представляет трудностей. Например, в случае, когда оконный проем не имеет четверти, а дополнительная теплоизоляция стены устраивается с наружной стороны, разборка старых конструкций оконных и балконных заполнений снаружи является относительно простым делом. После того, как сняты внешние декоративные элементы, а оконная коробка освобождена от крепления к проему и подоконнику, конструкция окна вынимается наружу. При этом не создается много грязи в квартире и больших неудобств для проживающих в ней людей.