Енергозбереження в будівництві: від наукових розробок до енергозберігаючих конструкцій і технологій

Енергозбереження в будівництві - від наукових розробок до енергозберігаючих конструкцій і технологій

Академія будівництва України висуває на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2010 року науково-технічну роботу «Енергозбереження в будівництві - від наукових розробок до енергозберігаючих конструкцій і технологій», виконану спільними зусиллями науково-дослідних інститутів та виробничих підприємств України: Інститут технічної теплофізики Національної Академії наук України (ІТТФ НАНУ), Відкрите акціонерне товариство «Український зональний науково-дослідний і проектний інститут по цивільному будівництву» (ВАТ «КиївЗНДІЕП») та відкрите акціонерне товариство «Домобудівний комбінат № 3» (ВАТ «ДБК-3»).

Метою роботи є розробка наукових та інженерних теорій і методик для ефективного енергозбереження в житлових будинках та спорудах. Аналіз та узагальнення результатів натурних та експериментальних досліджень, створення нових теоретичних основ для розвитку енергозберігаючих технологій в будівельній галузі.

Авторами роботи розроблені науково-теоретичні основи енергозбереження в будівництві, методи досліджень та експериментальна база для проведення випробувань огороджуючих конструкцій будинків та їх елементів, а також інженерно-фізичні методи розрахунків теплотехнічних властивостей конструкцій. Ці наукові та інженерні методики є унікальними і стали класичними в галузі теплотехніки.

У результаті дослідження, розробки та впровадження на практиці нових технологій енергозбереження, зокрема улаштування огороджуючих конструкцій (стін, вікон, підлоги) суттєво покращились якість і комфортність житла. Нові багатоповерхові будинки, побудовані ВАТ «ДБК-3» із сучасних матеріалів за розробленими прогресивними технологіями прикрасили майже всі житлові масиви столиці.

При зведенні більше сотні (127) житлових будинків, ВАТ «ДБК-3» разом з науковцями ВАТ «КиївЗНДІЕП» та ІТТФ НАНУ вирішені проблеми енергозбереження, значно підвищені ефективність виробництва, підвищена якість і комфортність жила. В процесі виконання роботи були проведені унікальні дослідження, опубліковано більше 250 науково-технічних праць, створена нова наукова-теорія — теорія локалізації.

В останні роки склалася надзвичайно складна ситуація в енергетичній галузі України, тому проблема енергозбереження в будинках та спорудах — одна з найважливіших в наш час. В період з 1988 по 1998 рік фахівцями ВАТ «ДБК-3» разом з фахівцями ВАТ «КиївЗНДІЕП» на основі теоретичних розробок ІТТФ НАНУ були проведені науково-дослідні та проектно-конструкторські пошуки по винайденню конструкції зовнішньої стінової панелі, яка б відповідала новим вимогам опору теплопередачі.

Проведені дослідження на базі ВАТ «КиївЗНДІЕП» разом з ВАТ «ДБК-3» показали недосконалість класичної конструкції стін з жорсткими зв’язками (ребрами) з бетону між внутрішніми і зовнішніми шарами панелі. Зв’язки мали значну площу з порівняно високою теплопровідністю, що погіршувало теплотехнічні якості панелі. І вже з 1996 року комбінат перейшов на випуск тришарових зовнішніх стінових панелей на гнучких зв’язках з утеплювачем із пінополістиролу. Опір теплопередачі в таких стінах становить 2,5 (м²°С / Вт), що значно краще, ніж в попередніх конструкціях. Але пошук шляхів збереження тепла в будинках на цьому не тільки не припинився, а поглиблювався, розширювався, і проводився в декількох напрямках: удосконалення теплотехнічних властивостей зовнішніх тришарових стінових панелей і дослідження та застосування зовнішніх систем утеплення.

ВАТ «ДБК-3», ВАТ «КиївЗНДІЕП» та ІТТФ НАНУ були проведені дослідження, розробка та впровадження нового типу зовнішніх тришарових стінових панелей із застосуванням пінопласту та пінополістирольної вспіненої стрічки. Випробування теплофізичних властивостей панелей проводились відділом будівельної теплофізики ВАТ «КиївЗНДІЕП». В результаті випробувань встановлено, що середній опір теплопередачі розроблених зразків становить 2,8 м² •°С / Вт. Цей показник значно підвищує ефективність енергозбереження житлових будинків.

Пріоритетним напрямком роботи в умовах підвищення вимог по теплозбереженню стала розробка технологій та матеріалів зовнішнього утеплення багатоповерхових житлових будинків, а також нових систем опалення, в тому числі і електричного.

Вперше в Україні зовнішнє утеплення, при будівництві багатоповерхівок експериментально було застосоване ВАТ «ДБК-3» в 1995 році на масиві Південна Борщагівка в місті Києві. Результати були позитивні; втрати тепла зменшились.

Аналіз різних систем зовнішнього утеплення ВАТ «ДБК-3» разом з інститутом КиївЗНДІЕП та ІТТФ НАНУ після проведених випробувань показав, що найбільш ефективними системами в частині енергозбереження та архітектурних можливостей являються навісні вентильовані фасади. Так з’явилась система «Термофасад». Її особливістю є установка утеплювача із базальтової вати завтовшки 100 мм безпосередньо на стіну будівлі і утворення повітряного прошарку між утеплювачем та зовнішньою плиткою, яка навішується на несучі стальні конструкції. Цей повітряний прошарок забезпечує вентиляцію, захищаючи утеплювач від зволоження, переохолодження та перегріву.

Проведені інститутом КиївЗНДІЕП та ВАТ «ДБК-3» натурні випробування показали, що опір теплопередачі стін з застосуванням системи «Термофасад» дорівнює 2,6 (м2°С / Вт), що є наступним кроком вперед на шляху вдосконалення теплозахисту житлових будинків.

Термофасад — це замкнута система, яка складається з наступних конструкційних елементів та матеріалів:

· профільований бетонний камінь (кам'яний профіль);

· монтажний профіль;

· металева (іноді дерев’яна) несуча конструкція — кронштейни та профілі;

· теплоізоляція (плитний утеплювач);

· елементи кріплення;

· обшивка вікон та дверей, кутові та кінцеві профілі.

При влаштуванні вентильованого фасаду шари різних матеріалів розташовують таким чином, що в напрямку зсередини споруди назовні теплопровідність матеріалів і їх опір водяній парі зменшується (бетон чи цегла, мінераловатний утеплювач, повітряний прошарок, захисне декоративне облицювання). Таке розташування матеріалів разом з дією повітряного прошарку, де через перепад тиску відбувається постійний вертикальний рух повітря, дозволяє ефективно видаляти вологу, як із несучої стіни, так із утеплювача, що підвищує ефективність теплоізоляції будівлі та забезпечує відносно сухий стан утеплювача під час всього періоду експлуатації. Крім того, зменшення тепловтрат відбувається також внаслідок виникнення ефекту «повітряної теплової завіси», так як температура вертикального теплового потоку на два-три градуси вище, ніж у зовнішнього повітря.

Влаштування теплоізоляції ззовні краще захищає стіну від перемінного замерзання та відтавання. Вирівнюються температурні коливання масиву стіни, що перешкоджає виникненню деформацій, особливо небажаних при індустріальному будівництві. Точка роси зміщується в зовнішній теплоізоляційний шар, внутрішня частина стіни не відсиріває і не потребує додаткової пароізоляції.

Іншою перевагою зовнішньої теплоізоляції є збільшення теплоакумулюючої здатності масиву стіни. Установка теплоізоляції ззовні дозволяє також виключити проблему «містків холоду» при каркасно-монолітному будівництві.

Технічні характеристики розробленої системи:

1. Облицювальний камінь представляє собою бетонний профіль, який виготовляється з бетону В20 методом напівсухого формування. Розміри: 600×600×30 мм, вага: 2,94 кг, щільність: 2000 кг/мЗ, міцність на згин: 600 — 800 Н, морозостійкість: Р35, водопоглинання: не більше 12%, основний колір: білий, піщаний, жовтий, кремовий, бежевий, темно-жовтий, теракот, темно-коричневий, темно-зелений, синій.

2. Підоблицювальна система «Кронштейн» представляє собою сталевий лист товщиною 1,5 мм або 2,0 мм (ГОСТ 1653−70). Спосіб захисту від корозії: гаряче оцинкування товщиною не менше 60 мкр, або інший, що відповідає йому. Розміри: 40×200×65 мм. Розрахункова монтажна схема установки: по горизонталі -* 700 мм, по вертикалі - 620 мм.

Несучий профіль представляє собою сталевий лист товщиною 1,0 мм (ГОСТ 1653−70). Спосіб захисту від корозії: такий же. Розміри: 45×45 мм. Монтажна схема установки: горизонтально — через 620 мм.

Монтажний профіль представляє собою сталевий лист товщиною 0,8 мм (ГОСТ 9045−80). Спосіб захисту від корозії: такий же. Монтажна схема установки: вертикально — через 300 мм.

3. Утеплювач — мінеральна вата з базальтового волокна товщиною 100 мм. Розмір листів: 625×1000×100 мм. Теплопровідність при 25 °C — 0,040 Вт/м².

Останні дослідження проведені в 2007 році нових конструкцій зовнішніх стін з вентильованими фасадами з використанням вспіненого екструдованого полістиролу марки ПСВ-80 м показали, що опір теплопередачі таких конструкцій при товщині утеплювача д=80 мм становить 2,82 м^{2 0}С / Вт і при збільшенні утеплювача до 100 мм і з застосуванням поліізолу з фольгою може досягти — 4 м²•⁰С / Вт.

Іншим важливим напрямком по збереженню тепла в панельних житлових будинках був пошук шляхів удосконалення конструкцій тришарових стінових панелей, та технології влаштування зовнішніх стиків із застосуванням нових прогресивних матеріалів. Стики залізобетонних конструкцій, які виконуються в процесі будівництва за існуючими технологіями є найбільш слабким місцем будівлі. Затікання, продування та промерзання стиків збільшують тепловитрати огороджуючих конструкцій за рахунок різкого зниження їх теплозахисних властивостей. Це призводить до негативних наслідків: необхідності ремонту, зниження комфорту в будівлях і відповідно до зниження терміну їх експлуатації. Правильний вибір матеріалів і технології герметизації стиків є важливим фактором в збереженні тепла в будинках, а також збільшення терміну їх експлуатації.

Першим кроком для реалізації поставлених задач, був вибір ущільнювача. Найефективнішим із сучасних теплоізоляційних матеріалів, які призначені для герметизації та ущільнення стиків, є поліуретановий герметик «Макрофлекс», і пінопропіленовий жгут (ППЖ). В процесі полімеризації «Макрофлекс» збільшується в об'ємі майже вдвічі і щільно прилипає до бетонної поверхні, монтажна піна швидко заповнює найменші щілини та пустоти, які неможливо залаштувати іншими теплоізоляційними матеріалами, що дуже суттєво. Поверхня його полімеризується за 20−30 хвилин, а на протязі 12 годин він остаточно твердіє.

Але для того, щоб герметик-ущільнювач міг виконувати свої функції якнайдовше, треба захистити його від атмосферних впливів. Такими надійними захисниками стали герметизаційні мастики марки «Тенакс». Це мастики: однокомпонентний акрилатний герметик «Тенапласт», двокомпонентний поліуретановий герметик «Оксіпласт», експосіуретановий герметик «Елур-Т». Їх можна використовувати для герметизації стиків в будівельних конструкціях з максимальною деформацією 50%. Вони мають хорошу адгезію до бетонних поверхонь, стійкі до кліматичних факторів, ультрафіолетових випромінювань, зберігають еластичність при великих перепадах температур, не дають усадки, експлуатуються при температурах від -60°С до +70°С, технологічні, зручні і прості при застосуванні, добре замальовуються різними фасадними фарбами, безпечні при користуванні, не токсичні і не горючі.

В результаті застосування ущільнювача «Макрофлекс» і герметизаційних мастик марки «Тенакс» та вдосконалення технології улаштування герметизації стиків, було досягнуто значного збереження тепла в будівлях.

Наступним напрямком роботи по збереженню теплової енергії в будинках, стало дослідженнях проблем, пов’язаних з втратами тепла через вікна. Втрати тепла через вікна можна розділити на трансмісійні та вентиляційні. Трансмісійні втрати через скло в 4−6 разів вищі, ніж через стіни. Вентиляційні втрати також можуть бути дуже великими, якщо вікна не досить ущільнені. Ці проблеми вирішуються при застосуванні віконних конструкцій зі склопакетами.

Теплозахисні властивості склопакетів, що заповнені інертними газами збільшуються на 12−13%. Теплова ефективність тришарового скління основана на зниженні конвективних (15%) та тепловтрат теплопровідністю (15%). Але більш ніж 70% теплоти витрачається через скло за рахунок випромінювання. Зниження променевої складової тепловтрат відбувається за рахунок нанесення на скло тепловідбивного покриття. Опір теплопередачі двокамерного склопакета складає = 0,61 м^{2 0}С /Вт, а однокамерного з нанесенням тепловідбивного покриття = 0,65 м^{2 0}С /Вт. Звідси висновок, що вигідніше застосовувати не третє скло, а покриття, що відбиває тепло, оскільки застосування третього скла призводить до перевитрат матеріалу на віконну конструкцію, зменшенню світлопропускних властивостей за рахунок третього скла, збільшенню ваги вікна.

Тепловідбиваючі покриття на склі володіють низьким ступенем чорноти е в інфрачервоному діапазоні довжини хвиль від 2,5 до 25 мкм. Скло з таким покриттям на 5% менше пропускає світла та відбиває назад в приміщення до 90% тепла, що виходить за рахунок випромінювання. В літню пору таке покриття відбиває інфрачервоні промені на вулицю тим самим не допускається перегрів приміщення.

Віконна рама займає 15−35% площі вікна, тому теплотехнічні параметри віконного профілю також повинні відповідати вимогам енергозбереження. Рами виготовляють з багатокамерного профілю з різних матеріалів: полівінілхлориду (ПВХ), дерева або металу (алюмінію). Високі теплоізоляційні властивості забезпечують 3-х камерні профілі, з двома контурами зовнішнього ущільнення: один — по зовнішньому периметру рами, другий — по зовнішньому периметру стулки (в приміщенні).

Таким чином, сучасні конструкції склопакетів (двокамерних чи однокамерних зі спеціальним покриттям) забезпечують необхідні теплоізоляційні властивості. Основні проблеми при використанні таких віконних конструкцій виникають при монтажі їх в залізобетоні або цегляних огороджуючих конструкціях.

Теплотехнічні властивості, навіть найкращої віконної конструкції, можуть бути втрачені при неправильному її монтажу. До теплотехнічних характеристик монтажних швів (в місці спряження віконної і будівельної конструкції) висуваються такі вимоги — високий опір теплопередачі, звукоізоляції, вологого переносу, фільтрації повітря, механічна міцність та можливість компенсувати теплові деформації віконної конструкції.

При цьому механічні навантаження в зоні спряження повинні компенсуватися властивостями шва.

В результаті проведених досліджень авторами роботи розроблені оптимальні параметри монтажних швів (геометричні, теплофізичні і масообмінні), які обумовлюють ефективність застосування сучасних віконних конструкцій. Одним з важливих елементів огороджуючих конструкцій будинку є підлога підвалу та горища. Для запобігання великих витрат тепла через підвал необхідно його теплоізолювати. Традиційно підлоги першого поверху над підвалом утеплювались теплоізоляційними рулонними матеріалами типу «Ворсаніт». В результаті проведених досліджень були вибрані і застосовані більш ефективні теплоізолюючі матеріали і технології та розроблені рекомендації по їх застосуванню. Таким ефективним матеріалом є «Поліізол» (тепло-звукоізоляційний матеріал на основі вспіненого поліетилену). Він має кращі теплоізоляційні характеристики порівняно з іншими матеріалами.

Таким чином досліджені на протязі тривалого часу (більше 20 років), вдосконалені і впроваджені більше, ніж на 127 об'єктах житлового будівництва нові матеріали і технології, а також розроблені рекомендації, технічні вказівки, проекти виконання робіт, технологічні карти, інструкції та інші нормативно-технічні документи дозволяють покращити теплозахисні властивості огороджуючих конструкцій житлових будинків і споруд, що дало можливість заощадити в процесі експлуатації будинків енергоресурсівна суму біля 301,4 млн. грн. Завдяки дослідженню та впровадженню нових ефективних технологій по енергозбереженню ВАТ «ДБК-3» у 2003 році одним з перших в будівельній галузі України сертифікували систему управління якістю у відповідності з міжнародним стандартом ISO 9001: 2000 і успішно пройшли ресертифікацію в 2006 р. та 2009 р. по ISO 9001ч2008. Крім того, в 2006 році ВАТ «ДБК-3» за підсумками оцінки Українського національного конкурсу якості першим в будівельній галузі України відзначено сертифікатом «Визнання досконалості в Україні», а в 2008 році дипломом лауреатів 13-го Українського національного конкурсу і міжнародним сертифікатом «Визнання досконалості в Європі» (2007 р.) та дипломом фіналістів IV міжнародного турніру з якості в 2008 році.

Виконана робота «Енергозбереження в будівництві - від наукових розробок до енергозберігаючих конструкцій і технологій» реально забезпечує ефективне енергозбереження і відкриває кілька нових напрямків для подальшого розвитку і вдосконалення енергозберігаючих технологій.

Основні висновки по роботі

інженерний енергозберігаючий житловий

1. Розроблено науково-теоретичні основи теплофізичних явищ теплообміну в зовнішніх огороджуючих конструкціях житлових будинків, методика інженерно-фізичних розрахунків для проектування конструкцій і об'єктів будівництва в цілому, створено основи розробки теорії локалізації.

2. В процесі роботи були виявлені проаналізовані і викладені у вигляді нової наукової теорії (теорії локалізації) закономірності, що носять універсальний більш загальний характер, сформульовані основні принципи теорії локалізації:

— узагальнена форма факту реалізації в багатомірних процесах переносу явищ просторої і часової локалізації впливу особливостей умов однозначності;

— основні закономірності явищ стабілізації і явищ зниження (виродження) розмірності багатомірних процесів та основні закономірності вказаних видів трансформації даних процесів. Наведена методика побудови розв’язання задач теплопровідності і конвективного теплообміну;

— принцип заміщення локалізованих умов однозначності і аналіз різноманітних можливостей його використання. Наведено результати дослідження впливу цілого ряду заміщень різних умов однозначності на якісні та кількісні характеристики процесів теплопереносу в шарово-неоднорідних системах при імпульсному періодичному нагріванні.

3. Розроблена уточнена фізична модель теплообмінних процесів, що враховує сумісну дію нестаціонарного променистого теплообміну між підлогою, огороджуючи ми конструкціями і повітрям в приміщенні, процеси акумуляції тепла огороджуючими конструкціями, залежність від температури коефіцієнтів променистої і конвекційної тепловіддачі на внутрішніх поверхнях огороджень, теплопередачу через зовнішні стіни з урахуванням нестаціонарних умов як всередині, так і зовні приміщень.

4. На основі уточненої фізичної моделі теплообміну в приміщенні сформульовані математичні моделі нестаціонарного теплопереносу в приміщеннях та проведено широке комплексне математичне моделювання їх температурних режимів для різних кліматичних умов регіонів України.

5. Розроблено аналітично-числовий метод розв’язанні задач визначення теплових режимів з одно — та багатошаровими зовнішніми огороджуючими конструкціями з різними системами опалення на основі застосування методу кінцевих інтегральних перетворень, що має наступні особливості:

· застосування запропонованої спеціальної процедури поліпшення збіжності рядів, що визначають розв’язки задач теплового стану приміщень з одношаровими огороджуючими конструкціями;

· зведення вихідної задачі з багатошаровими конструкціями до системи інтегральних і інтегро-диференціальних рівнянь з використанням при їх розв’язуванні модифікованих квадратурних формул Ньютона-Котеса з експоненціальною ваговою функцією, яка покращує збіжність рядів інтегральних ядер;

— створено програмне забезпечення числової реалізації розробленого аналітично-числового методу.

6. Досліджено і розроблено теплофізичні основи різних видів енергоощадливих теплоакумулюючих технологій опалення житлових і громадських будинків в тому числі підлогового теплоакомуляційного електроопалення будинків регламентованого ДБН В.2.5−24−2003 «Електрична кабельна система опалення», та «Методичних рекомендацій з вибору типів підлогових ЕКСО-ТА і енергоощадливих режимів їхньої роботи в житлових і громадських будинках для всіх температурних зон України».

7. На основі теорії теплостійкості конструкцій акад. Ликова А. В. розроблено програмне забезпечення для вибору раціональних конструкцій і режимних характеристик підлогового теплоізоляційного електроопалення, з використанням унікального автоматизованого дослідницького кліматичного комплексу КиївЗНДІЕП експериментальне підтверджено участь в акумулюванні тепла не тільки підлоги, а й усіх огороджень і відповідність розрахункових та експериментальних даних по температурах та теплових потоках, що складає відповідно 3,0 і 6,1%, що є цілком задовільним.

Економічний ефект від впровадження систем електроопалення в Хмельницькій області складає 96 210 грн. на 1 рік.

8. Розроблено нові типи ефективних енергозберігаючих огороджуючих конструкцій (зовнішніх стін, стиків, вікон, підлог і т.д.), які мають значно кращі показники опору теплопередачі порівняно з відомими.

9. Створено методики, прилади, комплексний інструментарій, унікальну кліматичну камеру і експериментальний комплекс для проведення фундаментальних досліджень в галузі теплофізики огороджуючих конструкцій.

10. Розроблені та впроваджені на практиці проекти будівництва житлових будинків з використанням огороджуючих енергозберігаючих конструкцій нового типу.

11. Розроблено та впроваджено на. практиці технологію виготовлення тришарових зовнішніх стінових панелей на гнучких зв’язках і технології будівельно-монтажних робіт з використанням ефективних конструкцій і систем для енергозберігаючих житлових будинків.

12. На базі нових розроблених за участю авторів нормативів опору теплопередачі зовнішніх огороджуючих конструкцій (ДБН В.2.6−31.2006 «Конструкції будівель і споруд. Теплова ізоляція будівель.») для широкомасштабного впровадження в Україні, розроблено і впроваджено нову нормативно-технічну документацію: інструкції, калькуляції трудових матеріальних затрат, проекти виконання робіт, технологічні карти (починаючи з виготовлення залізобетонних виробів, і закінчуючи монтажем на будівельних майданчиках).

13. Розроблені навчальні програми для ІТП і обслуговуючого персоналу та успішно використовуються на практиці.

14. Впроваджено спеціальну систему управління якістю, що відповідає міжнародному стандарту ISО 9001:2000, і відзначену дипломом лауреатів 13-го національного конкурсу в Україні та міжнародним сертифікатом в 2008 році, дипломом фіналістів 4-го міжнародного турніру.

15. За новими технологіями збудовано і введено в експлуатацію житлові будинки з ефективними енергозберігаючими огороджуючими конструкціями: більше 127 будинків (загальною площею 2 750 164 м²), що дало змогу досягти економії енергоресурсів більше, ніж на 301 млн. грн. Тільки в 2008 році з застосуванням енергозберігаючих технологій збудовано більше 90 тис. м² соціального житла за державними соціальними програмами.

16. Опубліковані фундаментальні роботи в галузі будівельної теплофізики та технології будівельного виробництва по темі даної роботи більше 250 наукових праць.