Повышение теплозащитных характеристик строительных ограждающих конструкций здания Самарского академического театра драмы

Полный текст

В связи с реализацией в РФ программы энергосбережения в строительстве вопросы повышения энергетической эффективности эксплуатируемых зданий и сооружений в настоящее время весьма актуальны и носят приоритетное значение. Особое место при выполнении работ по капитальному ремонту и реконструкции отведено зданиям исторического и культурного наследия. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», нормируемые значения приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен зданий исторического и культурного наследия допускается определять исходя из обеспечения современных санитарно-гигиенических и комфортных условий. Условие энергосбережения на них не распространяется. Поэтому для указанных выше зданий с учетом сохранения внешнего архитектурного вида логично использовать лишь внутреннее утепление. Применение внутреннего утепления, как показала практика строительства, приводит к захолаживанию наружных стен и способствует образованию темных сырых пятен и плесневых грибов на их внутренних поверхностях.

Полимерные теплоизоляционные материалы, к которым относятся пеноплэкс, вспененный полиэтилен и напыляемый пенополиуретан, обладают низким коэффициентом паропроницаемости. Поэтому они создают значительное сопротивление паропроницанию и повышают возможность влагонакопления в наружных стенах. Однако ввиду их горючести применение указанных выше теплоизоляционных материалов запрещено в общественных зданиях. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для повышения теплозащитных характеристик зданий исторического и культурного наследия следует применять теплоизоляционные материалы на минеральной основе – пеностекло, теплые штукатурки на гипсовой или перлитовой основе, беспесчаный керамзитобетон и др.

Вопросы применения пеностекла в строительстве подробно изложены в работах [1, 2], беспесчаного керамзитобетона – в [3]. Оценка влажностного режима многослойных ограждающих конструкций подробно рассмотрена в работах [4–9].

Рассматриваемое в статье здание Самарского государственного академического театра драмы было построено в XIX столетии. Общий вид здания драмтеатра представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Здание драматического театра

 

В настоящее время проектным институтом «Волготранстрой-проект» разрабатывается проект реновации здания драмтеатра.

Для выполнения раздела проекта, связанного с оценкой энергетической эффективности здания драмтеатра, были привлечены сотрудники Центра энергосбережения в строительстве СамГТУ.

Перед выполнением проектных работ было произведено тепловизионное обследование ограждающих конструкций эксплуатируемого здания с целью определения фактических значений сопротивления теплопередаче. Тепловизионное обследование проводилось в декабре 2020 г. с помощью тепловизионной камеры THERMA CAM В2 при температуре наружного воздуха t_н = -10 °С. При проведении обследования руководствовались методикой, изложенной в ГОСТ Р.54852-2011, ГОСТ 31937-2011, и работой [10].

Согласно документации, представленной заказчиком, наружные стены первого этажа части здания 1888 г. постройки выполнены в виде кладки из глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе толщиной 850 мм, оштукатуренной изнутри известково-песчаным раствором толщиной 20 мм. Стены бельэтажа исторической части здания выполнены в виде кладки из глиняного кирпича толщиной 810 мм, оштукатуренные известково-песчаным раствором толщиной 20 мм. Отдельные наружные стены входной части здания 1888 г. постройки выполнены в виде кладки из глиняного кирпича толщиной 1760 мм.

Наружные стены первого, второго этажей и части постройки 1967 г. выполнены в виде кладки из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе толщиной 510 мм. Изнутри они оштукатурены известково-песчаным раствором толщиной 20 мм.

Заполнение оконных проемов осуществлено оконными блоками в раздельных деревянных переплетах. Чердачное перекрытие здания 1888 г. постройки выполнено в виде настила из досок по деревянным балкам, а 1967 г. постройки – в виде пустотных железобетонных плит.

Фотоснимки и термограммы фасадов здания показаны на рис. 2, 3.

 

Рис. 2. Фрагмент ограждения в инфракрасном и видимом спектрах

 

Рис. 3. Фрагмент ограждения в инфракрасном и видимом спектрах

 

Наряду с фактическими значениями сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций определены нормативные значения исходя из санитарно-гигиенических условий для общественных зданий. Согласно Федеральному закону № 261 – ФЗ, требования энергетической эффективности не распространяются на здания, строения, сооружения, которые в соответствии с законодательством Российской Федерации отнесены к объектам культурного наследия.

На основе проведенного теплотехнического обследования строительных ограждающих конструкций здания драмтеатра можно констатировать следующее:

1. Температура и относительная влажность в помещениях здания драмтеатра соответствуют нормативным требованиям ГОСТ 30494, предъявляемым к общественным зданиям.
2. Наружные стены 1888 г. постройки по теплозащитным характеристикам соответствуют современным санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, предъявляемым к общественным зданиям. Остальные ограждающие конструкции не соответствуют нормативным требованиям.
3. Зарегистрированы повышенные температуры на наружных поверхностях следующих ограждений: оконных блоках и входных дверей; в местах установки отопительных приборов; в цоколе исторической части здания, расположенной над подвалом; на чердаке, расположенном над сценой и зрительным залом.

По результатам проведенного тепловизионного обследования наружные стены первого и второго этажей части здания Самарского театра драмы 1967 г. постройки имеют значение приведенного сопротивления теплопередаче, равное 0,95 м²·°С/Вт, бельэтажной части – 0,82 м²·°С/Вт, что существенно ниже нормативного значения для общественных зданий – R_о^норм = 1,28 м²·°С/Вт.

Для повышения теплозащитных характеристик указанных выше стен рекомендуется их утеплить плитами из пеностекла толщиной 0,05 м, защищенными со стороны утепления цементно-песчаной штукатуркой толщиной 0,02 м. На рис. 4 представлен фрагмент утепленной наружной стены. Состав наружной стены показан в таблице.

 

Рис. 4. Фрагмент утепленной наружной стены Самарского театра драмы

 

Состав наружной стены

Наименование	Толщина δ, м	Плотность γ, кг/м3	Коэффициент теплопроводности λА, Вт/(м·°С)	Коэффициент паропроницаемости µ, мг/(м∙ч·Па)
Цементно-песчаный раствор	0,02	1800	0,76	0,09
Плиты теплоизоляционные из пеностекла	0,05	200	0,08	0,03
Силикатный кирпич на цементно-песчаном растворе	0,51 0,64	1800	0,76	0,11

 

В качестве примера приведем теплофизический расчет наружной стены бельэтажа, выполненной толщиной 510 мм в виде кладки из силикатного кирпича.

Расчет выполним в следующей последовательности, с использованием аналитического метода, подробно изложенного в статье [4].

1. Определяем приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены согласно СП 50.13330.2012.

$R_{о}^{пр.}=r·R_{о}^{усл.}, {м}^2·°\mathrm{С}/\mathrm{Вт}$ (1)

где r – коэффициент теплотехнической однородности наружной стены, принимаемый равным 0,9 при внутреннем утеплении согласно СТО 00044807-001-2006; $R_{о}^{усл.}$ – сопротивление теплопередаче глади наружной стены, м²·°С/Вт.

$R_{о}^{усл.}=\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\sum _{i=1}^3{R}_i+\frac{1}{{\alpha }_{н}}, {\mathrm{м}}^2·°\mathrm{С}/\mathrm{Вт},$ (2)

где ${\alpha }_{в}$ – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции Вт/(м²·^оС); ${\alpha }_{н}$ – коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·^оС).

$R_i=\frac{{\delta }_i}{{\lambda }_i}$ – термическое сопротивление i-го слоя наружной стены, м²·^оС/Вт.

$$\begin{gathered} R_{о}^{усл.}=\frac{1}{8,7}+\frac{0,02}{0,76}+\frac{0,05}{0,08}+\frac{0,51}{0,76}+\frac{1}{23}=1,48 {\mathrm{м}}^2·°\mathrm{С}/\mathrm{Вт}; \\ {R}_{о}^{пр.}=0,9·1,48=1,33>1,28 {\mathrm{м}}^2·°\mathrm{С}/\mathrm{Вт}. \end{gathered}$$

Утепленная наружная стена соответствует нормативным требованиям по теплозащите.

2. Определяем сопротивление паропроницанию наружной стены.

$R_{п.о.}\sum _{i=1}^3\frac{{\delta }_i}{{\mu }_i}=\frac{{\delta }_1}{{\mu }_1}+\frac{{\delta }_2}{{\mu }_2}+\frac{{\delta }_3}{{\mu }_3}=\frac{0,02}{0,09}+\frac{0,05}{0,03}+\frac{0,51}{0,11}=6,53 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

3. Находим значение упругости водяного пара внутреннего воздуха по формуле

$e_{в}=E_{в}·\frac{{\phi }_{в}}{100}=2338·\frac{50}{100}=1169\mathrm{Па},$ (3)

где Е_в – значение упругости насыщенного влагой воздуха, Па; φ_в – относительная влажность внутреннего воздуха, %.

4. Определяем координату плоскости возможной конденсации в толще кладки из силикатного кирпича приближенным аналитическим методом [5] по формуле

$X_3={\lambda }_3·\left[\frac{\left(t_{в}-55,9{\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр.}}{t_{в}-t_{н.отр.}}·\frac{R_{о}^{усл}}{R_{п.о.}}\frac{{\lambda }_3}{{\mu }_3}\right)}^{0,1515}+100\right)·R_{о}^{усл}}{t_{в}-t_{н.отр.}}-\frac{1}{{\alpha }_{в}}-R_1-R_2\right],\mathrm{м},$ (4)

где e_н.отр., t_н.отр. – среднее значение упругости наружного воздуха и его температуры за период месяцев с отрицательными температурами соответственно.

$X_3=0,76·\left[\frac{\left(20-55,9{\left({\displaystyle \frac{1169-310}{20+7,18}}·{\displaystyle \frac{1,48}{6,53}}·{\displaystyle \frac{0,76}{0,11}}\right)}^{0,1515}+100\right)·1,48}{20+7,18}-\frac{1}{8,7}-\frac{0,02}{0,76}-\frac{0,05}{0,08}\right]=0,208 \mathrm{м}.$

Расчет показал, что плоскость возможной конденсации находится внутри слоя кладки из силикатного кирпича.

5. Определяем значение температуры в плоскости возможной конденсации для трех периодов года:

а) зимний период: (t_н < -5 °С)

${\tau }_3=t_{в}-\frac{t_{в}-t_{н.1}}{R_{о}^{усл}}\left(\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\frac{{\delta }_1}{{\lambda }_1}+\frac{{\delta }_2}{{\lambda }_2}+\frac{X_3}{{\lambda }_3}\right)=20-\frac{20+10,03}{1,48}\left(\frac{1}{8,7}+\frac{0,02}{0,76}+\frac{0,05}{0,08}+\frac{0,208}{0,76}\right)=-1,1 °C;$

$E_1=4,688·{\left(1,486-\frac{1,1}{100}\right)}^{12,3}=559 \mathrm{Па}$;

б) переходный период: (-5 °С ≤ t_н ≤ +5 °С)

${\tau }_3=20-\frac{20+2,9}{1,48}·1,04=2,91 °С;$

$E_2=288·{\left(1,098-\frac{3,91}{100}\right)}^{8,02}=807 \mathrm{Па};$

в) периходный период: (t_н > +5 °С)

${\tau }_3=20-\frac{20-14,4}{1,48}·1,04=16,1 °С;$

$E_3=288·{\left(1,098-\frac{16,1}{100}\right)}^{8,02}=1826 \mathrm{Па};$

6. Находим среднее значение упругости водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации здания по формуле

$E=\frac{1}{12}\left(E_1·Z_1+E_2·Z_2+E_3·Z_3\right), \mathrm{Па},$ (5)

где Z₁, Z₂, Z₃ – количество месяцев зимнего, переходного и летнего периодов года.

$E=\frac{1}{12}\left(559·3+807·2+1826·7\right)=1339 \mathrm{Па}.$

7. Определяем сопротивление паропроницанию части наружной стены, расположенной между ее наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации.

$R_{пн}=\frac{{\delta }_3-X_3}{{\mu }_3}=\frac{0,51-0,208}{0,11}=2,75 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

8. Вычисляем сопротивление паропроницанию части наружной стены в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации:

$R_{пн}=\frac{{\delta }_3-X_3}{{\mu }_3}=\frac{0,51-0,208}{0,11}=2,75 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

9. Определяем величину требуемого сопротивления паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в наружной стене за годовой период эксплуатации здания:

$R_{п.1}^{тр.}=\frac{\left(e_{в}-E\right)·R_{пн}}{E-e_{н}}=\frac{\left(1169-1339\right)·2,75}{1339-720}=-0,76 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

$R_{п}>R_{п.1}^{тр.}; 3,78>-0,76 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

Накопление влаги в наружной стене за годовой период эксплуатации здания маловероятно.

10. Находим значение упругости водяного пара в плоскости возможной конденсации за период месяцев с отрицательными температурами:

${\tau }_3=20-\frac{20+7,18}{1,48}·1,04=0,9 °С;$

$E_3=288·{\left(1,098+\frac{0,9}{100}\right)}^{8,02}=651 \mathrm{Па};$

11. Требуемое сопротивление паропроницанию из условия ограничения накопления влаги в холодный период года определяем по формуле

$R_{п2}^{тр}=\frac{0,0024·Z_o·\left(e_{в}-E_o\right)}{{\rho }_w·{\delta }_w·∆w+\eta }, {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг},$ (6)

где Z₀ – продолжительность периода влагонакопления, сут; ρ_w – плотность материала увлажняющего слоя, кг/м²; δ_w – толщина увлажняющего слоя, м; ∆w – предельно допустимое приращение влажности в материале увлажняющего слоя, %; η – коэффициент, определяемый по формуле

$\eta =\frac{0,0024·\left(E_0-e_{н.отр.}\right)}{R_{пн}},$ (7)

$\eta =\frac{0,0024·\left(1169-651\right)·151}{2,75}=44,9;$

$R_{п2}^{тр}=\frac{0,0024·151·\left(1169-651\right)}{1800·0,208·1,5+44,9}=0,31 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг};$

$R_{п}>R_{п2}^{тр}; 3,78>0,31 {\mathrm{м}}^2·\mathrm{ч}·\mathrm{Па}/\mathrm{мг}.$

Расчет показал, что влагонакопление в кладке из силикатного кирпича в холодный период года не выходит за пределы сорбционного допустимого увлажнения.

По приведенной выше методике был выполнен теплофизический расчет строительных несветопрозрачных ограждающих конструкций как для существующей части здания Самарского театра драмы, так и для вновь возводимых строений.

Выводы

1. Представлены результаты тепловизионного обследования строительных ограждающих конструкций здания Самарского академического театра драмы, которые выявили места повышенных тепловых потерь.
2. В целях снижения тепловых потерь наружными стенами, возведенными из силикатного кирпича в 1967 г., было предложено утеплить их изнутри теплоизоляционными плитами из пеностекла толщиной 50 мм.
3. Представлена методика теплофизического расчета ограждающих конструкций, базирующаяся на использовании аналитического метода, разработанного авторами статьи.

Об авторах

Михаил Евгеньевич Сапарёв

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: msx072007@yandex.ru

Академия строительства и архитектуры
кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Юрий Серафимович Вытчиков

Самарский государственный технический университет

Email: git.2008@mail.ru

Академия строительства и архитектуры
кандидат технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Александр Анатольевич Чулков

Самарский государственный технический университет

Email: ch_aleks01@mail.ru

Академия строительства и архитектуры
инженер Центра энергосбережения в строительстве

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Андрей Анатольевич Дядин

Самарский государственный технический университет

Email: 89376616820@mail.ru

Академия строительства и архитектуры
аспирант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы