Концепция термической оболочки (thermal envelope) в проектировании зданий стала популярной в конце семидесятых годов. Однако, домов по этой технологии построено немного. Зато на фоне растущих тогда проблем, связанных с обеспечением энергетической безопасности ведущих стран мира и набирающим силу и значимость экологическим движением, она оказала плодотворное влияние на перестройку мышления во всей строительной индустрии, известной своим консерватизмом.
Строительные эксперименты в восьмидесятых и девяностых годах, сопровождались интенсивными лабораторными исследованиями, в том числе медицинскими, благодаря которым, стали более точными наши знания о влиянии строительных конструкции и материалов на здоровье и самочувствие человека. Одним из обобщенных результатов этих исследований стала подробная опись явления названного sick building syndrome, которое заключается в постоянном плохом самочувствии людей, вследствие долговременного пребывания в закрытых помещениях. Это еще один из дефектов современной высоко урбанизованной цивилизации. Основная причина появления синдрома "строительной болезни" связана с составом и качеством воздуха в помещениях.
При этом, почти половина проблем, связанных с качеством воздуха, ассоциируется с появлением и ростом микробиологических организмов. Последнее связано непосредственно с температурно-влажностным режимом помещений, в особенности, с появлением продолжительных очагов конденсации водяного пара, протечками, диффузией. Поэтому, вопросы вентиляции и кондиционирования воздуха приобрели новое звучание, а вентиляция и кондиционирование из роскоши стали обязательным условием коммерческого продвижения ново проектируемых зданий. В такой же степени это относится и к реконструируемым зданиям. Однако, здоровье и комфорт проживания - это только часть проблем.
Вторая группа вопросов связана с наблюдающимся много лет чрезмерным износом жилого и нежилого фонда. Солнце, вода, ветер и колебания температуры (суточные и сезонные) образуют комплекс тех сил, действие которых привело к разрушению или аварийному состоянию сотни тысяч зданий и сооружений. Третья группа вопросов связана с низкой энергетической эффективностью существующих зданий и оборудования. И сколько скептицизма или пренебрежения не вызывали бы результаты научно-исследовательских работ и деятельность экологических движений, на международном и - во многих странах - на национальном уровне, осознание действительно реальной угрозы для жизни на Земле старой парадигмы развития стало фактом.
В социальном измерении, старая парадигма развития находила отражение в ничем неограниченной свободе индивидуального потребления в пределах располагаемого дохода (disposable income). В более практичном плане, это означало не что иное как расточительность в пределах располагаемого дохода. Критикуемая еще Торстейном Вебленом, а затем его последователем Джоном К. Гэлбрейтом, эта позиция индивидуализма и эгоизма замещается в наиболее развитых странах позицией разумной бережливости из более общих соображений, чем собственный интерес. С этой точки зрения, запаздывание России измеряется десятилетиями. Нельзя обольщаться тем, что Госстрой выпустил в свет Изменения 3 к СНиП 11-3-79 "Строительная теплотехника". В строительной области исполнительная дисциплина не лучше, чем в налоговой. Да и не в бумажках дело. Нам еще пахать и пахать. Сознание.
![]()
0 align=right src=/images/stro_elem_sub/small/1099-1.jpg alt='Термическая оболочка|' hspace=10 vspace=5>Основные пути проникновения воздушных потоков во внутрь здания и их движение внутри него
Первоначально концепция термической оболочки выражалась в конструкции здания с двумя ограждающими слоями, между которыми образовалось непрерывное воздушное пространство шириной от 152 до 305 мм. Такой "дом внутри дома" имел двойной слой ограждающей конструкции с северной и южной стороны, со стороны пола и крыши. Восточная и западная стены оставались одинарными. Внешняя южная стена должна быть остекленной на подобие теплицы, чтобы находящийся там воздух быстро нагревался. Благодаря конвекции, теплый воздух проникал в верхние части дома.
Проведенные зимой 1980 года тесты показали, что при положительном влиянии воздушной прослойки между стенами на температуру внутри помещений, естественная циркуляция воздуха была недостаточной. Исследуемый в то же время параллельно дом с дополнительной (тогда) теплоизоляцией (superinsulated) показал такие же результаты, при значительно более низких затратах на строительство. В своем первоначальном виде концепция термической оболочки потерпела неудачу. Это и определило основные пути поиска решений относительно повышения тепловых характеристик ограждающих конструкции зданий. Со временем термином "термическая оболочка" стали определять все те элементы здания, которые отгораживают внутреннее пространство здания от внешней сре, то есть фундамент, стены, кры полы (потолки), теплоизоляц! окна, двери, влаго- и ветрозаш ные мембраны.
В основу обновленной кони ции термической оболочки по жен принцип термической од родности оболочки в любом ее сте. Сложность достижения так ставленной задачи заключаете том, что современные здания стоят из десятков конструкци ных и отделочных элементов, рактеризирующихся различны тепловыми параметрами. Г том, наиболее уязвимыми местг являются окна, затем двери. В временных домах площадь oi составляет в среднем около 15 от общей площади оболочки, случае офисных зданий этот пс затель может достигать 50 и бо. процентов. Разнообразие матер лов, используемых в ограждаюп конструкциях и их размеров он деляет количество мест соединий (стыков, швов), являющихся второй группой наиболее термически уязвимых мест, в смысле неконтролируемого проникновения воздуха (air leakages). К этому следует добавить наличие так называемых "мостиков холода", образующихся между элементами с различной теплопроводностью.
В последнее время концепция термической оболочки вошла в качестве интегральной части в более общую архитектурно-строительную концепцию называемую whole-buildings approach, то есть подхода в проектировании и реконструкции зданий, рассматривающего здание как системное целое, отдельные элементы которого взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом. Такой подход называют также системной (строительной) инженерией (systems engineering).
Одним из руководящих принципов в этой концепции является привязка (и подчиненность) конструкционных и архитектурных решений к факторам окружающей здание (или комплекс зданий) естественной среды, прежде всего климатическим условиям. Не последнюю роль отводят в этой концепции вопросам учета влияния солнечного изучения. Его значение в современном строительстве настолько велико, что главенствующим принципом при разработке архитектурной и конструкционной концепции зданий является сегодня принцип солнечной ориентации зданий (sun-tempered или sun-oriented house). Именно это роднит концепцию системной инженерии с первоначальной версией концепции термической оболочки. Второй слагаемой современного подхода к проектированию жилых и нежилых зданий стала дополнительная теплоизоляция (superinsulation) и изоляция внутренней части здания от влияния внешних факторов.
Речь идет именно о дополнительной теплоизоляции относительно термических характеристик, прежде всего, всех несущих (ограждающих) элементов здания. Отсутствие знаний об этих подходах является несомненно источником живучести российских мифов о том, что якобы американские и канадские строительные технологии, с точки зрения конструкционной прочности, являются "времянками", эксплуатация которых рассчитана на не более чем 5 лет. Например, Андрей Безукладников, архитектор и эксперт в области оконных технологии, своими высказываниями в таком духе подвергает сомнению достоверность своих суждений в области оконных технологии. Учитывая значение оконных технологии в обсуждаемых здесь концепциях, удивляет легковесность его суждений. А. Безукладников пишет (см. "Технологии Строительства" 2/2000): "...в Европе и в России принято строить "на века", а американцы традиционно (как правило, каждые 5 лет) переезжают на другое место жительства, меняя работу. При таком образе жизни больших групп населения логично строить быстровозводимые коттеджи из облегченных конструкции, которые по прошествии 5 лет вырабатывают твой ресурс и стоят гораздо дешевле капитальных домов.
Климат даже в Канаде (исключая крайний Север, где живут только Эскимосы) мягче нашего, и все в порядке -дешевое временное жилье устраивает людей. Но если такой коттедж перенести на российскую землю, то получится будка для собаки, а не жилье для человека. Таких примеров много, в частности в городе Иркутске. Интересно будет посмотреть, что произошло в течение суровой сибирской зимы с этими строениями.". Следуя этой логике можно прийти к выводу, что в Канаде гостиницы можно строить из бумаги и картона. Ведь в них люди задерживаются не более, чем на несколько дней. Зачем человек, который про себя пишет, что "професия архитектора, аккумулирующего в себе все сведения специалистов-смежников и являющей главным координатором при развитии и исполнении любого строительного проекта", и что это дает ему право выступать в качестве эксперта в своей области, позорит себя такой ерундой в чужой области?
Принцип солнечной ориентации здания подразумевает оптимальное использование энергии солнечного изучения. Этот npинцип, наряду с упомянутым вы принципом термической cперизоляции, дополняется еще npинципом абсолютной водо-, влаго и ветронепроницаемости оболочки, принципом автоматически peryлируемой вентиляции и кондиционирования воздуха и принципом энергетически оптимального окна. Следует особо подчеркнуть, что представляемая здесь концепция новых подходов в проектировании и реконструкции (санации) всех типов зданий, является во многом обобщением уже существующей строительной практики. Она лишь интегрирует в одно ситемное целое разобщенные до си пор подходы.
Реализация это концепции получила широкую поддержку со стороны правительств и бизнеса. Вспомним хотя бы о лозунге зеленого строительства (Green Building Challenge поддержанным группой 16 развитых государств, в том числе США и Канадой. Разве действительно нужна в этих странах такая концепция перспективного развитие строительной индустрии или же она является продуктом "яйцеголовых" ученых из национальных лаборатории, которым делать не чего? Зачем в странах, в которых якобы для людей строят будки для собак, государство и сфера бизнеса инвестируют сотни миллионов долларов в научные разработки над использованием солнечной энергии, электронно-химическими окнами, новыми теплоизоляционными материалами или новым поколением систем вентиляции и кондиционирования воздуха? Во истину, собачья жизнь у людей за бугром!
Современная концепция термической оболочки объединяет две основные цели. Первая - это достижение оптимальных условий проживания (пребывания) людей внутри здания, с точки зрения здоровья и самочувствия человека, что определяется термином "качество внутреннего воздуха" (indoor air quality). Вторая - это комплексная защита конструкции здания от влияния атмосферных факторов. В результате достижения оптимального значения и сочетания всех функциональных характеристик, здание определяется как "здание с наивысшими функциональными характеристиками" (high-performance building). Получить такое звание уж не так то просто. Во внимание принимается действие механизмов движения трех основных факторов: (1) воздушных потоков,(2) потоков энергии (проводимость, конвекция и излучение) и (3) потоков влаги (просачивание, диффузия, капиллярное и гравитационное движение). На самом деле, движение тепла, воздуха и влаги одно неразделимое явление. Тепло, влага и воздух взаимно обуславливают друг друга и взаимодействуют со всеми материалами оболочки здания.
Это означает, что изменение количественных значений параметров одного из потоков, непосредственно сказывается на относительных значениях всех остальных факторов. Так, например, увлажнение теплоизоляции вследствие разрыва или некачественной ветрозащиты, приведет к ухудшению ее термических свойств, что в свою очередь приведет к изменению температурно-влажностного режима внутри здания. Продолжительное увлажнение теплоизоляционного материала приведет к появлению плесени, гниению прилегающих к ней деревянных элементов конструкции здания и развитию микробиологических элементов.
Создавшаяся ситуация может далеко выходить за пределы проектной мощности и допустимых настроек системы вентиляции и кондиционирования, которая к тому, работая на пределе технических возможностей, быстро изнашивается или выходит из строя. Одним словом - одна незаметная для глаза дырка, а сколько неприятностей. Именно поэтому считается, что вода во всех своих формах является врагом номер один целостности и долговечности любой строительной конструкции. Вода является непосредственной причиной около 80 % всех повреждений конструкции, вплоть до их разрушения (относительно фундаментов см. статью в ? 6"2000 нашего журнала). На рисунках 2 (подвал), 3 (обшивка крыши из плиты OSB с пышно развившейся плесенью) и 4 представлены образцы разрушительного действия воды, полученные в лабораторных условиях.
В особенности оценка термических характеристик ограждающей конструкции (оболочки) здания связана с рассмотрением трех групп вопросов:
- количества тепла поступающего через стены, окна и другие элементы оболочки здания вследствие проводимости (на четырех уровнях точности);
- количества тепла необходимого для повышения температуры воздуха вне здания до уровня температуры воздуха внутри - характеристика степени влияния проникшего извне воздуха или определение коэффициента обмена воздуха;
- разницы температур на внутренней стороне оболочки - контроль вероятных мест возникновения процессов гниения или появления плесени.
Хотелось бы обратить внимание читателя на некоторые из них.
Тепло перемещается благодаря трем механизмам: проводимости, конвекции и излучению. Проводимость является трансфертом кинетической энергии от молекулы (микрочастицы) к молекуле. Конвекция является трансфертом тепла вследствие физического движения молекул с одного места в друroe. Излучение является трансфертом тепла в пространстве посредством электромагнитных волн (энергия излучения).
В случае здания вопросы их теплотехнических характеристик рассматриваются с разных точек зрения. Наиболее часто ссылаются на коэффициент R, отражающий со противление материала движении (потоку) тепла. Чем выше число вое значение коэффициента R тем выше способность материала препятствовать потери тепла (или поглощению тепла). Коэффициент U является мерой движения тепла через материал - тепловой проводимости - при данной разнице температур с обеих его сторон. В англо-американских единицах измерений коэффициент U определяется как величина энергии выраженная в BTU (British Therms Units), проходящей через один квадратный фут материала в течение часа для данной разницы температур, выраженной в шкале Фаренгейта (Btu/ft2hr?F). В метрической системе SI этот коэффициент выражается в ваттах на квадратный метр умноженный на числовое значение температуры по Кельвину (W/nr"K).
Как правило, количественны значения коэффициента R определяются в сертифицированной лаборатории, в так называемой guarded hot box. Тепло движется через слой материала и измеряется путем поддержания постоянной температуры с одной стороны материала (например +32?С) и расчета дополнительной энергии, необходимой для поддержания постоянной разницы температур с обеих сторон материала (например +10"С). Для проведения тестов национальные органы метрологии и сертификации разрабатывают специальные методики проведения соответствующих испытаний. В значительной части стран такие испытания проводят только одна или две действительно независимые, неподкупные и хорошо оборудованные лаборатории. При большем их количестве и значительном количестве производителей, нельзя на практике обеспечить тождественность процедур испытаний и достоверное сравнение получаемых результатов. Поэтому можно принять, что наиболее достоверные данные предоставляют общеизвестные в мире фирмы, подтверждающие их соответствующими свидетельствами не менее известных лабораторий.
Во всех остальных случаях следует воспринимать представляемые производителями данные с должным скептицизмом. Выявленная с помощью упомянутой выше процедуры величина коэффициента R определяется как "величина в статичных условиях" (steady-state R-value), из-за факта поддержки разницы температур на неизменном уровне. Коэффициент U можно выразить как 1/R. Для практических целей при пересчете с англоамериканской системы на систему SI можно принять коэффициент равен 0,1761, а при обратном пересчете коэффициент 5,67826. В англоязычной литературе коэффициент R, выраженный в системе SI, обозначают RSI. В России наиболее употребляемой мерой теплотехнических характеристик материалов является линейный коэффициент теплопроводности (=Вт/мК. Порой данные приводятся в форме Вт/мК. Некоторые формулой Вт/м^С обозначают теплоусвоение при данном периоде времени (см. например технические характеристики плит "Пеноплэкс"), тогда как общепринято обозначать таким образом тепловую проводимость U при заданной (1 кв. м.) его площади.
Кроме характеристик теплопроводности и теплового сопротивления, материалы можно также характеризовать их способностью аккумулировать тепло (heat capacity) - "теплоемкостью". Она отражает в количественном выражении сколько тепла материал способен удержать (усвоить). Эту способность материала в англо-американской системе выражают как Btu/lb?F, а в системе SI как kJ/kgK. Вода, например, имеет коэффициент теплоемкости равный 1 Btu/lb?F или 4,2 kJ/kgK, тогда как большинство строительных материалов характеризуют значения в пределах 0,2-0,3 Btu/lb?F (т.е. 1.3 kJ/kgK). В случае многослойных материалов среднюю теплоемкость рассчитывают путем суммирования индивидуальных коэффциентов каждого из составных материалов и вычисления cpeдне арифметической. Учет в проектировании ограждающих конструкций способности материалов аккумулировать тепло, вызвал необходимость радикального пересмотра пригодности теплотехнических характеристик в виде статических коэффициентов R и U.
Их расчет при условии постоянства температур с обеих сторон испытуемого материала явно противоречит реальным условиям функционирования любого здания. Если бы температуры внутри и снаружи здания оставались постоянными продолжительное время, то фактически теплопроводность ограждающей конструкции можно бы достоверно предсказать. На практике имеем дело с суточными колебаниями температур как внутри, так и cнаружи здания, при этом направление теплового потока может измениться на противоположное (тепло устремляется всегда от более теплой стороны к более холодной). Динамика этого процесса определяет то, что называют эффективной тепловой характеристикой ограждающей конструкции (стены) - effective thermal performаnce. В случае материалов с высокой теплоемкостью эффективная тепловая характеристика выше лабораторно определяемого коэффициента R. Это тот случай, который определяют как "эффект массы" (mass effect).
Особым случаем является ситуация, когда температуры снаружи здания не падают ниже температур внутри здания. Тогда направление теплового потока не меняется, зато меняется интенсивность теплообмена, с характерными термическими или временными лагами. При определенной разнице температур внешней и внутренней сторон стены, для трансферта тепла в направлении внутренней стороны может потребоваться 5-8 часов. Все это следует учитывать при проектировании систем обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, особенно при расчетах пиковых их нагрузок. Для никого не является сегодня тайной, что в большинстве американских домов, вследствие пренебрежения учетом теплофизических явлений, мощность установленных систем вентиляции и кондиционеров значительно превышает действительные потребности. Это приводит к лишнему потреблению колоссального объема энергии.
В научно-исследовательском институте Oak Ridge National Laboratory в США разработана методика расчета коэффициента теплопроводности для динамических условий, при которых температура с одной стороны поддерживается на неизменным уровне, а с Другой стороны, меняется. В результате была разработана формула так называемого коэффициента с учетом эффекта термической массы (mass-enhanced R-value) и введено понятие мультипликатора, отражающего выгоды от динамических свойств систем с термической массой - Dynamic Benefit for Massive Systems (DBMS). Его исчисляют путем деления коэффициента R с учетом эффекта термической массы на обычный коэффициент теплового сопротивления (steady-state) R. В климатических условиях России результаты этих исследований имеют значение прежде всего летом (в общем виде - при значительных суточных колебаниях температур наружного воздуха вокруг уровня температуры воздуха внутри здания) и в южных регионах страны. Для исследовательских целей была использована специальная установка для испытаний теплотехнических свойств стен.
Все о чем шла речь в этой части статьи, это только толика вопросов, связанных с проектированием и санацией (реконструкцией) ограждающих конструкций, поскольку мы не затронули здесь значение таких явлений как, например, влияние влажности наружного и внутреннего воздуха на теплотехнические характеристики зданий, или же явления, которые в англоязычной литературе ласково называют "промыванием ветром" (wind-washing).
Непосредственным результатом обсуждаемой здесь концепции было внесение в проектную практику принципа проектирования, предполагающего полный активный контроль влияния атмосферных факторов на функционирование здания, что определяется как design for environmental control. Это предполагает высокую эластичность самого процесса проектирования, осуществляемого путем очередных итерации с целю достижения оптимального во всех отношениях результата (долговечность, прочность, функциональность, экономическая и энергетическая эффективность, комфорт проживания, минимизация капитальных и эксплуатационных затрат и отрицательного влияния на окружающую среду). Обеспечение требуемой эластичности процесса проектирования немыслимо без наличия максимально широкого и разнообразного предложения строительных материалов и инструментов, цивилизованных форм их реализации, достоверной о них информации и знания технологии их применения.
Обобщенно можно выделить три основных подхода в реализации концепции термической оболочки зданий:
- пассивное сопротивление влиянию атмосферных факторов, весьма характерное для России и большинства стран Европы;
- пассивное использование сил природы, главным образом солнечной энергии (passive solar design); в этом случае, самое здание выступает в качестве обогревательной системы, использующей доступную солнечную энергию и другие естественные источники тепла; такая система состоит из четырех основных компонентов: системы захвата, системы хранения, распределительной системы и системы контроля;
- активное использование всех доступных источников энергии с применением системы принудительного движения воздуха и системы управления теплотехническими характеристиками элементов здания; концепция интегрированной системы управления определяют сегодня как концепцию интеллигентного дома (smart home);
при этом подходе находит полное применение так называемая динамическая теплоизоляция (DI -dynamic insulation), которая является комбинацией конвенциональной теплоизоляции и специфического динамического обмена между внешней и внутренней средой через пористые структуры ограждающих конструкции (в варианте называемым parieto и permeo).
Следует подчеркнуть, что пассивный подход в вопросах теплоизоляции является на практике единственно возможным в случае санации существующего жилого и нежилого фонда. Масштабные программы санации (refurbishment) жилого фонда реализуются в Восточной Германии, Финляндии, Англии. В Москве распоряжением Премьера Правительства Москвы от 15 февраля 2001г. ? 109-РП "О реализации Программы санации жилого фонда" было положено начало реализации аналогичной программы. К сожалению, в соответствии с российской традицией, все делается келейно, без тендеров, соревнования концепции и участников. Это не вселяет надежду, что в России что-либо измениться. А ведь учитывая только международные обязательства России, вытекающие из Монтреальского протокола, масштаб программы санации сравним с некоторыми "стройками века", известными нам из недалекого прошлого.
Некоторые из перечисленных выше элементов новых подходов в проектировании и реконструкции зданий уже были представлены в нашем журнале. В номере 5"2000 мы писали об одном из вариантов нового подхода в теплоизоляции зданий и сооружений - методе монолитного домостроения с применением несъемной полистироль-ной опалубки. В номере 6"2000 мы писали о технологии возведения фундаментов мелкого заложения, в которой ведущая роль отводится теплоизоляции фундаментов с помощью жестких полистирольных или аналогичных плит. В последним номере журнала (? 2"2001) мы сообщили об присуждении наград в области наивысших достижений во внедрению инновационных технологии в жилищном домостроении. Одну из пяти наград получила фирма Home Director, Inc. за разработки в области систем интегрированного автоматического контроля работы домашних электрических и электронных устройств (прототип системы "интеллектуального дома").
В очередных статьях настоящего выпуска мы покажем как на практике воплощаются в жизнь отдельные элементы концепции термической оболочки зданий. Еще раз подчеркиваем, что речь идет о строительных технологиях и материалах применительно к российским климатическим зонам, то есть об их объективных технических характеристиках, а не о канадских Эскимосах.
Источник: "Профессиональное строительство", N3/2001
