Теплові відмови як характеристики надійності огороджувальних конструкцій будинку
У статті наведено визначення теплових відмов як характеристик надійності огороджувальних конструкцій, на підставі експериментальних досліджень зроблено узагальнення шляхів їх виникнення, класифікацію та структуру розподілу за класами.
Відмова, як характеристика надійності, це подія, що виникає при втраті об’єктом здатності виконувати задану йому функцію, тобто у порушенні працездатного стану об’єкту. Для будинку подія відмови розглядається як стан, коли не забезпечується виконання заданого – нормованого чи комфортного, тепловологісного режиму в приміщеннях будинку.
Для огороджувальних конструкцій стан теплової відмови встановлюється при наявності хоча б одного з наступних параметрів:
- перевищення значень перепаду температур між приведеною температурою внутрішньої поверхні конструкції і температурою повітря допустимих за санітарно-гігієнічними вимогами;
- зниження локальних значень температур внутрішньої поверхні до температури конденсації пари повітря;
- накопичення вологи в товщі конструкції в річному експлуатаційному циклі;
- поява на внутрішній поверхні конструкції або під її оздоблювальними шарами цвілі, грибкових утворень.
За своєю фізичною суттю теплова відмова конструкцій, теплоізоляційної оболонки чи будинку в цілому відноситься до часткових відмов, тобто втрати їх спроможності виконувати частину своїх функцій. При виникненні теплової відмови теплоізоляційної оболонки будинок не втрачає своїх характеристик загальної надійності – захисту людини від навколишнього середовища, тощо. Але при цьому не виконуються перераховані вище критерії експлуатаційної придатності будинку.
Поняття теплової відмови безпосередньо пов’язане з поняттям граничного стану конструкції, під яким у даному випадку слід розглядати такий стан теплоізоляційної оболонки будинку або об’єкта досліджень, при якому подальша його експлуатація пов’язана з порушенням нормальних умов життєдіяльності людини, підвищеними економічними витратами, а також зменшенням довговічності конструкцій.
Визначення та систематизація поняття теплової відмови ґрунтується на масштабних дослідженнях теплового стану огороджувальних конструкцій будинків. Дослідження проводилися на житлових, громадських та промислових будинках різної поверховості та серій. Теплова ізоляція огороджувальних конструкцій цих будинків проектувалася як за нормами колишнього СРСР, так і за удосконаленими нормами України після їх введення в 1996 р.
Результати досліджень. Будинки забудови 1960 – 1995 рр.
Для великопанельних будинків, які займають вагому нішу в існуючому житловому фонді України і потребують масової реконструкції, причиною виникнення стану теплових відмов є наступні конструктивно-технологічні недоліки:
- недостатня герметизація стикових з’єднань панелей при монтажу будинку. Це обумовлює високу інфільтрацію зовнішнього повітря всередину будинку, внаслідок чого знижуються температури внутрішньої поверхні стін, створюються недопустимі теплові умови, при яких можлива поява конденсату та виникнення плісняви; особливо часто це спостерігається в зонах кутових з’єднаннях панелей;
- використання панелей з технологічними дефектами. За результатами натурних досліджень великопанельних будинків було зафіксовано, що густина виникнення теплових відмов найбільша в приміщеннях першого та останнього поверху будинків. У стінах останнього поверху причиною виникнення відмов були в основному технологічні відхилення при виготовленні панелей. У процесі монтажу будинків завжди зустрічалися дефектні панелі з тріщинами, невідповідною вагою, тощо, теплотехнічні показники яких були низькі вже в початковий момент, і замість їх повернення (що призводило до уповільнення термінів, збільшувало собівартість будинку, а монтаж здійснювався, як правило, силами домобудівельного комбінату, тобто виробника панелей) такі дефектні панелі монтували на верхньому поверсі, де нижчі несучі навантаження і менший ризик руйнування самого будинку;
- конструктивна недосконалість інженерних систем будинків. На перших та останніх поверхах (в залежності від поверховості будинків) причиною теплових відмов є недосконалість систем опалення будинків перших масових серій – відсутність поповерхового розведення труб опалення обумовлює істотну розбіжність параметрів мікроклімату по висоті будинку;
- необґрунтовані технічні рішення з термореконструкції теплоізоляційної оболонки будинків. Підвищення показників теплоізоляції будинку потребує значних коштів, тому в економічних умовах нашої країни дуже поширеною є часткова реконструкція – в окремо взятій квартирі (рис.2) або в кімнаті шляхом:
- заміни старих вікон в дерев’яному плетінні на сучасні з ПВХ зі склопакетами, в алюмінієвому або дерев’яному обрамленні. При невірному, в тепловому відношенні, виборі вікон така заміна погіршує тепловологісний режим приміщень. Оскільки в переважній більшості населенням обираються дешеві вікна з однокамерними склопакетами зі стандартного скла, опір теплопередачі яких не вищий, ніж у старих дерев’яних вікон, але повітропроникність набагато нижча (в 5-15 разів). Це, при незмінній системі вентиляції (припливно-витяжній з припливом через віконні елементи), істотно погіршує повітрообмінний та вологісний режим приміщень. В результаті теплові відмови (рис.3) з’являються вже в перший рік після такої реконструкції та ще з більшою інтенсивністю, аніж до заміни вікон;
- герметизації зовнішньої поверхні стін (рис.4) в зоні тих квартир, де вологість підвищена (за такою логікою: якщо стіна волога, то причиною цього є протікання стіни від атмосферних опадів і слід наносити гідроізоляцію на зовнішню поверхню стіни). В результаті та волога, що утворюється на поверхні та в товщі стіни в рідкому стані, по суті консервується з подальшим її накопиченням;
| Рис. 1. Утворення плісняви в кутових зонах житлових квартир |
| Рис. 2. Часткова термореконструкція старих будинків |
| Рис. 3. Теплова відмова (утворення плісняви) після заміни дерев’яного вікна на ПВХ |
- утеплення стін з боку приміщення. В результаті пліснява виступає по всій поверхні цієї “системи утеплення” вже на другий опалювальний сезон (рис.5).
Будинки забудови 1996 – 2006 рр.
У 1996 р. було нормативно підвищено вимоги за показником опору теплопередачі, а норми оцінки вологісного режиму методично залишились без змін. Тому в будинках, які спроектовано та зведено протягом останнього десятиріччя, внаслідок недосконалості проектних рішень виникають негативні явища щодо тепловологісного стану зовнішніх стін.
| Рис. 4. Герметизація зовнішньої поверхні стін гідроізолюючими паронепроникними матеріалами |
Для будинків із сучасними архітектурними рішеннями фасадів із застосуванням сучасних світлопрозорих конструкцій особливе значення має проектне опрацювання конструктивних рішень теплового стану вузлів сполучення конструкцій між собою. При невиконанні цього етапу є дуже висока вірогідність виникнення станів теплових відмов (рис.6).
Класифікація теплових відмов ізоляційної оболонки будинків
На підставі аналізу результатів досліджень встановлено наступні чотири типи відмов щодо теплового режиму огороджувальних конструкцій будинків та причини їх виникнення:
- проектні (конструкційні) відмови, які спричинені недосконалістю чи порушенням норм проектування, що призводить до необґрунтованого вибору рівня теплоізоляції елементів теплоізоляційної оболонки, нехтуванням аналізу конструктивних особливостей огороджень і, як наслідок, появою конденсату на їх внутрішній поверхні або накопичення вологи в їх товщі в холодний період року, недостатній облік факторів, що впливають на експлуатаційні властивості конструкцій або неправильний вибір розрахункових параметрів матеріалі;
- технологічні (виробничі) відмови, які спричинені недосконалістю виготовлення й монтажу конструкцій і, як наслідок, вплив випадкових факторів (відхилення від проектної щільності теплоізоляційного шару, недотримання проектних рішень герметизації стикових з’єднань панелей, елементів тощо) на експлуатаційні властивості теплоізоляційної оболонки в цілому;
- експлуатаційні (відмови через неправильне поводження), що спричинені зниженням потужності роботи систем опалення й вентиляції, випадкові замочування конструкцій, тощо;
- концептуальні (системні) відмови, які однозначно пов’язані з недосконалістю нормативної бази, що встановлює неадекватні для сучасних конструкцій нормативні розрахунки теплових показників та недостатньо чітко регламентує правила та параметри їх оцінки, здійснення проектування без встановлення вимог теплової надійності до основних елементів, що формують тепловологісний режим, і які можливо усунути тільки після реформування нормативної бази проектування конструкцій теплоізоляції будинків.
| Рис. 5. Теплова відмова внаслідок внутрішнього утеплення стіни |
| Рис. 6. Теплова відмова сучасного будинку за рахунок неправильного проектного рішення світлопрозорої частини |
Статистичні дані результатів досліджень виникнення чотирьох типів теплових відмов в будинках, що запроектовані за радянськими нормами до 1996 р. та за вітчизняними нормами після 1996 р. наведено на рис.7.
| Рис. 7. Структура розподілу виникнення теплових відмов за їх типами в будинках забудови 1960-1996 рр. (зліва) та забудови після 1996 р. (справа). |
У більш сучасних будинках збільшилася питома вага відмов 1-го типу, що обумовлено наступним. До 1996 р. зовнішні стіни житлових та громадських будівель в основному були одношаровими, термічно однорідними, і оцінювання теплотехнічних показників при їх проектуванні було методично простим. Крім того, проектування здійснювалося на підставі типових рішень, які проходили детальну теоретичну та експериментальну перевірку, і тому при використанні більш складних в теплофізичному відношенні тришарових стінових панелей кількість помилок при проектуванні була невеликою. Введення підвищених нормативних вимог до рівня теплоізоляції зовнішніх огороджень житлових та громадських будівель призвело до кардинальної зміни їх конструктивних рішень. Сучасні конструкції є багатошаровими, теплопровідність матеріалів шарів відрізняться на кілька порядків, що обумовлює необхідність застосування більш складних методичних положень при проведенні оцінки теплотехнічних показників конструкцій.
Крім того, принципово змінився архітектурний вигляд житлових та громадських будинків, фасади виконуються з використанням сучасних конструктивних систем, значно підвищився коефіцієнт засклення фасадів. На одному будинку можуть використовуватися різні конструкції фасадної теплоізоляції. На зміну типовому проектуванню прийшло індивідуальне, але при цьому необхідна перевірка не здійснюється, що і призводить до виникнення станів теплових відмов, незважаючи на високі значення опору теплопередачі по основному полю конструкцій.
Відмови 2-го типу займають значну частину від загальної кількості теплових відмов для будинків забудови 1960-1996 рр., що проаналізовано вище. Але і для нових будинків відмови цього типу є також відчутними. При цьому симптоматичним є те, що вони найбільш часто зустрічаються в конструкціях з зовнішнім фасадним утепленням, тобто в тих конструктивних рішеннях, які найбільш фізично обґрунтовані для теплоізоляції будинків. Виникнення цих типів теплових відмов було обумовлено відсутністю нормативних вимог з улаштування систем фасадного утеплення і, як наслідок, не проведенням відповідного контролю якості виконання робіт. Однак, зараз розробляється система нормативних документів до конструкцій фасадної теплоізоляції, що дасть змогу зменшити в практиці будівництва кількість теплових відмов даного типу.
Значна кількість теплових відмов у будинках забудови 1960-1996 рр. виникла в середині 90-х років минулого сторіччя, коли в Україні вольовим рішенням місцевих експлуатаційних органів було знижено параметри теплоносіїв в житлових та громадських будівлях. В результаті невиконання умови теплового балансу, при якому забезпечуються нормальні тепловологісні параметри приміщень, в масовому порядку виникають теплові відмови 3-го типу.
Відносно невелика частка відмов 4-го типу в будинках радянської забудови пояснюється тим, що вони проектувалися за часів дешевих енергоносіїв і до концептуальних недоліків слід відносити тільки те, що нормативна методика визначення оптимального опору теплопередачі огороджувальних конструкцій на практиці не застосовувалася. Для будинків нової забудови частка цього типу відмов є найбільш вагомою внаслідок змін саме конструктивних принципів проектування теплоізоляційної оболонки будинків.
Євген Колесник
