Наружные стены современных зданий и их конструктивные особенности.

Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена конструкции наружных стен современных зданий по показателям их теплозащиты и внешнему виду.

Рассматривая современные здания, т.е. здания, которые существуют в настоящее время, следует их разделять на здания, спроектированные до и после 1994 г. Отправной вехой в изменении принципов конструктивного решения наружных стен в отечественных зданиях является приказ Госстроя Украины № 247 от 27.12.1993 г., которым устанавливались новые нормативы по теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. В дальнейшем приказом Госстроя Украины № 117 от 27.06.1996 г. были введены поправки в СНиП II -3-79 «Строительная теплотехника», которые установили принципы проектирования теплоизоляции новых и реконструируемых жилых и общественных зданий.

После шести лет действия новых норм уже не возникают вопросы об их целесообразности. Годы практики показали, что был сделан правильный выбор, который, в то же время, требует тщательного многостороннего анализа и дальнейшего своего развития.

У зданий, спроектированных до 1994 г. (к сожалению, строительство зданий по старым теплоизоляционным нормативам встречается и до сих пор), наружные стены выполняют и несущие, и ограждающие функции. Причем несущие характеристики обеспечивались при достаточно незначительных толщинах конструкций, а выполнение ограждающих функций требовало существенных материальных затрат. Поэтому удешевление строительства шло по пути априори низкой энергоэффективности в силу известных причин для богатой энергоносителями страны. Эта закономерность относится в равной степени как к зданиям с кирпичными стенами, так и к зданиям из крупноразмерных бетонных панелей. В тепловом отношении различия между этими зданиями заключались только в степени термической неоднородности наружных стен. Стены из кирпичной кладки можно рассматривать как достаточно однородные в термическом отношении, что является преимуществом, так как равномерное температурное поле внутренней поверхности наружной стены - это один из показателей теплового комфорта. Однако для обеспечения теплового комфорта необходимо, чтобы абсолютное значение температуры поверхности было достаточно высоким. А для наружных стен зданий, созданных по нормативам до 1994 г., максимальной температурой внутренней поверхности наружной стены при расчетных температурах внутреннего и наружного воздуха могло быть только 12°С, что для условий теплового комфорта недостаточно.

Внешний вид стен из кирпичной кладки также оставлял желать лучшего. Это обусловлено тем, что отечественные технологии изготовления кирпича (и глиняного, и керамического) были далеки от совершенства, в результате и кирпич в кладке имел разные опенки. Несколько лучше выглядели здания из силикатного кирпича. В последние годы в нашей стране появился кирпич, изготовленный по всем требованиям современных мировых технологий. Это относится к Кор-чеватскому заводу, где выпускают кирпич с прекрасным внешним видом и относительно хорошими теплоизоляционными характеристиками. Из таких изделий можно строить здания, внешний вид которых не будет уступать зарубежным аналогам. Многоэтажные здания в нашей стране в основном строились из бетонных панелей. Для этого типа стен характерна существенная термическая неоднородность. В однослойных керамзито-бетонных панелях термическая неоднородность обусловлена наличием стыковых соединений (фото 1). Причем на ее степень, кроме конструктивного несовершенства, еще существенно влияет так называемый человеческий фактор - качество уплотнения и утепления стыковых соединений. А так как это качество в условиях советской стройки было низким, то и стыки протекали и промерзали, преподнося жителям все «прелести» сырых стен. Кроме того, повсеместное несоблюдение технологии изготовления керамзито-бетона приводило к повышенной плотности панелей и низкой их теплоизоляции.

Не намного лучше обстояли дела и в зданиях с трехслойными панелями. Так как ребра жесткости панелей обуславливали термическую неоднородность конструкции, проблема стыковых соединений оставалась актуальной. Внешний вид бетонных стен был крайне непритязателен (фото 2) - цветных бетонов у нас не было, а краски были не надежны. Понимая эти проблемы, архитекторы пытались придать разнообразие зданиям за счет нанесения плитки на наружную поверхность стен. С точки зрения законов тепломассообмена и циклических температурно-влажностных воздействий такое конструктивно-архитектурное решение является абсолютным нонсенсом, что и подтверждается внешним видом наших домов. При проектировании
после 1994 г. определяющей стала энергоэффективность сооружения и его элементов. Поэтому пересмотрены сложившиеся принципы проектирования зданий и их ограждающих конструкций. В основу обеспечения энергоэффективности положено строгое соблюдение функционального назначения каждого элемента конструкции. Это относится как к зданию в целом, так и к ограждающим конструкциям. В практику отечественного строительства уверенно вошли так называемые каркасно-монолитные здания, где прочностные функции выполняет монолитный каркас, а наружные стены несут только ограждающие (тепло- и звукоизоляционные) функции. В то же время сохранились и успешно развиваются конструктивные принципы зданий с несущими наружными стенами. Последние решения интересны еще и тем, что они полностью применимы для реконструкции тех зданий, которые были рассмотрены в начале статьи и которые повсеместно требуют реконструкции.

Конструктивным принципом наружных стен, которые в одинаковой мере могут применяться для строительства новых зданий и для реконструкции существующих, является сплошное утепление и утепление с воздушной прослойкой. Эффективность данных конструктивных решений определяется оптимальным подбором теплофизических характеристик многослойной конструкции - несущей или самонесущей стены, утеплителя, фактурных слоев, наружного отделочного слоя. Материал основной стены может быть любым и определяющие требования к нему -прочностные и несущие.

Теплоизоляционные характеристики в этом решении стены полностью описываются теплопроводностью утеплителя, в качестве которого используются пенополистирол ПСБ-С, минераловатные плиты, пенобетон, керамические материалы. Пенополистирол - теплоизоляционный материал с низкой теплопроводностью, долговечный и технологичный при утеплении. Его производство налажено на отечественных заводах (комбинаты «Стироль» в Ирпене, заводы в Горловке, Житомире, Буче). Основной недостаток - материал горюч и по отечественным пожарным нормам имеет ограниченное применение (для малоэтажных зданий, или же при наличии значительной защиты из негорючей облицовки). При утеплении наружных стен многоэтажных зданий к ПСБ-С предъявляются еще и определенные требования по прочности: плотность материала должна быть не менее 40 кг/м3.

Минераловатные плиты - теплоизоляционный материал с низкой теплопроводностью, долговечный, технологичный при утеплении, отвечает требованиям отечественных пожарных норм для наружных стен зданий. На рынке Украины, как и на рынках многих других стран Европы, применяются минераловатные плиты концернов ROCKWOOL, PAROC, ISOVER и др. Характерной особенностью этих фирм является широкая палитра производимых изделий - от мягких плит до жестких. При этом каждое наименование имеет строго адресное назначение - для утепления кровли, внутри стен, фасадное утепление и пр. Например, для фасадного утепления стен по рассматриваемым конструктивным принципам фирма ROCKWOOL выпускает плиты «FASROCK», а фирма PAROC -плиты L-4. Характерной особенностью этих материалов является их высокая формоустойчивость, что особенно важно при утеплении с вентилируемой воздушной прослойкой, низкая теплопроводность и гарантированное качество изделий. По теплопроводности эти минера-ловатные плиты за счет своей структуры не хуже пенополистирола (0,039-0,042 ВтДмК). Адресное изготовление плит обуславливает эксплуатационную надежность утепления наружных стен. Совершенно не приемлемо применение для рассматриваемых конструктивных вариантов матов или мягких минераловатных плит. К сожалению, в отечественной практике встречаются решения утепления стен с вентилируемой воздушной прослойкой, когда в качестве утеплителя используют минераловатные маты. Тепловая надежность подобных изделий вызывает серьезные опасения, и факт достаточно широкого их применения может объясняться только отсутствием в Украине системы ввода в эксплуатацию новых конструктивных решений. Важным элементом в конструкции стен с фасадным утеплением является наружный защитно-декоративный слой. Он не только определяет архитектурное восприятие здания, но и обуславливает влажностное состояние утеплителя, являясь одновременно защитой от атмосферных воздействий и для сплошного утепления элементом удаления парообразной влаги, попадающей в утеплитель под воздействием сил тепло- массообмена. Поэтому особое значение приобретает оптимальный подбор: утеплитель - защитно-отделочный слой.

Выбор защитно-отделочных слоев определяется прежде всего экономическими возможностями. Фасадное утепление с вентилируемой воздушной прослойкой в 2-3 раза дороже, чем сплошное утепление, что определяется уже не энергоэффективностью, так как слой утеплителя в обоих вариантах один и тот же, а стоимостью защитно-отделочного слоя. При этом в общей стоимости системы утепления цена непосредственно утеплителя может составлять (особенно для вышеуказанных некорректных вариантов применения дешевых неплитных материалов) всего 5-10%. Рассматривая фасадное утепление, нельзя не остановиться на утеплении помещений изнутри. Таково уж свойство нашего народа, что во всех практических начинаниях, не взирая на объективные законы, он ищет неординарных путей, будь-то социальные революции или строительство-реконструкция зданий. Внутреннее утепление привлекает всех своей дешевизной - затраты только на утеплитель, а его выбор достаточно широкий, так как нет необходимости в строгом соответствии критериям надежности, следовательно, стоимость утеплителя уже будет не высока при тех же теплоизоляционных показателях, отделка минимальна - любой листовой материал и обои, трудозатраты минимальны. Снижается полезный объем помещений - это мелочи по сравнению с постоянным тепловым дискомфортом. Эти доводы были бы хороши, если бы подобное решение не противоречило закономерностям формирования нормального тепловлажностного режима конструкций. А нормальным этот режим можно назвать только при условии ненакопления в нем влаги в холодный период года (длительность которого для Киева составляет 181 сутки -ровно половина года). При невыполнении этого условия, то есть при конденсации парообразной влаги, которая попадает в наружную конструкцию под действием сил тепло- массообмена, в толще конструкции происходит намокание материалов конструкции и, прежде всего, теплоизоляционного слоя, теплопроводность которого при этом увеличивается, что вызывает еще большую интенсивность дальнейшей конденсации парообразной влаги. Результат - потеря теплоизоляционных свойств, образование плесени, грибков и прочие неприятности.

На графиках 1, 2 представлены характеристики тепловлажностного режима стен при их внутреннем утеплении. В качестве основной стены рассмотрена керамзитобетонная стена, в качестве теплоизолирующих слоев - наиболее часто применяемые пенобетон и ПСБ-С. Для обоих вариантов наблюдается пересечение линий парциального давления водяного пара е и насыщенного водяного пара Е, что сигнализирует о возможности конденсации паров уже в зоне пересечения, которая находится на границе утеплитель - стена. К чему приводит такое решение на уже эксплуатируемых зданиях, где стены находились в неудовлетворительном тепловлажностном режиме (фото 3) и где попытались подобным решением этот режим улучшить, видно на фото 4. Совершенно иная картина наблюдается при перемене мест слагаемых, то есть размещении слоя утеплителя на фасадной стороне стены (график 3).

График №1

График №2

График №3

Необходимо отметить, что ПСБ-С является материалом с закрытопористой структурой и с низким коэффициентом паропроницаемости. Однако и для такого вида материалов, как и при использовании минераловатных плит (график 4), создаваемый при утеплении механизм термовла-гопереноса обеспечивает нормальное влажностное состояние утепляемой стены. Таким образом, если и приходится выбирать внутреннее утепление, а это может быть для зданий с архитектурной ценностью фасада, необходимо тщательно оптимизировать состав теплоизоляции, чтобы избежать или хотя бы минимизировать последствия режима.

График №4

Стены зданий колодцевой кирпичной кладки

Теплоизолирующие свойства стен определяются слоем утеплителя, требования к которому в основном обуславливаются его теплоизоляционными характеристиками. Прочностные свойства утеплителя, его устойчивость к атмосферным воздействиям для такого типа конструкций не играют определяющую роль. Поэтому в качестве утеплителя могут использоваться плиты ПСБ-С плотностью 15-30 кг/м3, минераловатные мягкие плиты и маты. При проектировании стен такой конструкции необходимо обязательно рассчитывать приведенное сопротивление теплопередаче, учитывающее влияние сплошных кирпичных перемычек на интегральный тепловой поток через стены.

Стены зданий каркасно-монолитной схемы.

Характерной особенностью этих стен является возможность обеспечения относительно равномерного температурного поля на достаточно большой площади внутренней поверхности наружных стен. В то же время несущие колонны каркаса являются массивными теплопроводными включениями, что обуславливает необходимость обязательной проверки соответствия температурных полей нормативным требованиям. Наиболее распространено в качестве наружного слоя стен данной схемы использование кирпичной кладки в четверть кирпича, 0,5 кирпича или в один кирпич. При этом используется качественный импортный или отечественный кирпич, что придает зданиям привлекательный архитектурный облик (фото 5).

С точки зрения формирования нормального влаж-ностного режима наиболее оптимальным является применение наружного слоя в четверть кирпича, однако это требует высокого качества как самого кирпича, так и работы по устройству кладки. К сожалению, в отечественной практике для многоэтажных зданий не всегда может обеспечиваться надежная кладка даже в 0,5 кирпича, и потому в основном используется наружный слой в один кирпич. Такое решение уже требует тщательного анализа тепловлажностного режима конструкций, только после которого можно принимать вывод о жизнеспособности конкретной стены. В качестве утеплителя в Украине широко используется пенобетон. Наличие вентилируемой воздушной прослойки позволяет удалять влагу из слоя утеплителя, что гарантирует нормальный тепловлажностный режим конструкции стены. К недостаткам этого решения следует отнести то, что в теплоизоляционном отношении совершенно не работает внешний слой в один кирпич, наружный холодный воздух напрямую обмывает утеплитель из пенобетона, что обуславливает необходимость предъявления высоких требований к его морозостойкости. Учитывая то, что для теплоизоляции следует использовать пенобетон плотностью 400 кг/м3, а в практике отечественного производства часто наблюдается нарушение технологии, и пенобетон, используемый в таких конструктивных решениях, имеет фактическую плотность выше указанной (до 600 кг/м3), данное конструктивное решение требует тщательного контроля при монтаже стен и при приемке здания. В настоящее время разработаны и находятся в

стадии предзавод-ской готовности (строится производственная линия) перспективные тепло- звукоизоляционные и, одновременно, отделочные материалы, которые могут применяться в конструкциях стен зданий каркасно-монолитной схемы.К таким материалам относятся плиты и блоки на основе керамического минерального материала «Сиолит». Очень интересным решением конструкций наружных стен является светопрозрачная изоляция. При этом формируется такой тепловлажностный режим, при котором отсутствует конденсация паров в толще утеплителя, а светопрозрачная изоляция является не только тепловой изоляцией, но и источником теплоты в холодный период года.