При возведении любого здания особое внимание уделяют прочности и надежности его заглубленных конструкций, которым приходится не только выдерживать на себе вес всей постройки, но и постоянно подвергаться воздействию негативных факторов окружающей среды: давлению грунта, действию грунтовых вод, сил морозного пучения и т.п. Однако, выбрав надежные и высокопрочные материалы для фундамента дома, не стоит забывать о цокольной части и первых этажах здания, которые также подвергаются экстремальным нагрузкам на протяжении всего срока эксплуатации.
Одним из основных элементов защиты конструкции здания от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды является его теплоизоляция. Очевидно, что к теплоизоляционному материалу, предназначенному для утепления цоколя и стен первого этажа, должны предъявляться особо жесткие требования, что продиктовано особенностями режима эксплуатации вышеуказанных ограждающих конструкций.
В процессе эксплуатации зданий влажностное состояние материалов ограждающих конструкций изменяется в зависимости от конструктивных особенностей, свойств материалов, температурно-влажностных условий в помещениях, климатических условий района строительства. Влажностный режим определяет эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций здания и непосредственно влияет на их теплозащитные свойства, а также на энергоэффективность применяемых систем теплоизоляции [1].
Расчеты влажностного режима помогают решать различные задачи строительной теплофизики. Стационарная методика оценки влажностного режима из СП «Тепловая защита зданий» позволяет проверить конструкцию по условиям недопустимости накопления влаги в ней за годовой период эксплуатации и ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха.
Расчеты по нестационарным методикам позволяют давать не только качественные оценки влажностного состояния ограждающих конструкций, но и конкретные количественные результаты по влагосодержанию в слоях строительных материалов. Основным результатом расчетов влажностного режима ограждающих конструкций по нестационарным методикам является распределение влажности по толщине конструкции в любой момент времени после начала эксплуатации здания. Из этого результата можно получить ответы на частные задачи, в т.ч. по определению значения эксплуатационной влажности строительных материалов.
Эксплуатационная влажность – это равновесное влагосодержание материала в ограждении относительно воздействующих на него влажностных факторов внутренних и наружных сред. Влагосодержание в материале становится равновесным после прохождения нескольких стадий: строительства и послепостроечной. Срок выхода влажностного режима конструкции на квазистационарный (практически неизменяемый на временном интервале одних суток, однако периодически изменяемый в течение года) сильно зависит от начальной (технологической) влажности материала, состава конструкции и климатических условий строительства.
Основным способом определения эксплуатационной влажности являются натурные исследования, т.к. по их результатам можно установить распределение влажности для конкретной конструкции при конкретных условиях эксплуатации. Однако результаты натурных исследований даже для одного типа конструкций при одних и тех же эксплуатационных условиях могут иметь большой разброс [3].
Именно по статистическим данным большого количества натурных исследований, а также по экспертным оценкам были установлены значения расчетной влажности в условиях эксплуатации «А» и «Б» из Приложения Т [2]. Данные значения переносятся в СП «Тепловая защита зданий» из редакции в редакцию лишь с небольшими изменениями и дополнениями, и для некоторых типов материалов их следует признать устаревшими.
Недавно лабораторией строительной теплофизики НИИСФ РААСН была проведена работа, направленная на определение эксплуатационной влажности основных типов теплоизоляционных материалов в наиболее популярных системах утепления фасадов в различных климатических зонах России.
Были осуществлены расчеты нестационарного влажностного режима ограждающих конструкций в климатических условиях различных городов РФ с использованием полученных в лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН актуальных тепловлажностных характеристик материалов, в составе систем фасадных теплоизоляционных композиционных (СФТК) с тонким наружным штукатурным слоем с использованием основных типов утеплителей: минеральной ваты, формованного пенополистирола/пенопласта (EPS) и экструдированного пенополистирола (XPS).
Дополнительно были проанализированы системы вентилируемых фасадов. При расчетах принималось, что температура и влажность в помещении остаются постоянными в течение года и равны: +20 оС и 55 %, соответственно. Температура и относительная влажность воздуха снаружи конструкции изменяется в соответствии с данными из СП 131.13330.2012 Строительная климатология, актуализированная редакция СНиП 23-01-99, рассчитанными на начало месяца для рассмотренных городов строительства РФ.
По результатам расчетов температурно-влажностного режима рассмотренных вариантов конструкций были вычислены значения эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов для климатических условий выбранных городов строительства. В Таблице 1 представлены значения эксплуатационной влажности (по массе) утеплителей после месяца наибольшего влагонакопления в годичном цикле.
Таблица 1. Эксплуатационная влажность после месяца наибольшего влагонакопления
Материал
Эксплуатационная влажность, wэ, % по массе
Москва
Санкт-Петербург
Екатеринбург
Новосибирск
Владивосток
Краснодар
Минеральная вата
0,79
0,87
0,80
1,11
0,53
0,75
Пенопласт (EPS)
2,59
2,62
3,58
4,49
2,30
1,82
Экструдированный пенополистирол (XPS)
0,32
0,35
0,24
0,28
0,23
0,38
Из представленных в Таблице 1 значений можно сделать следующие выводы: в фасадной минеральной вате (средняя плотность 130 кг/м3) содержание влаги, накопленной в процессе эксплуатации, составляет около 1 литра на 1 м3. У фасадного пенопласта (EPS) (средняя плотность 25 кг/м3) этот показатель достигает 0,5 литра на 1 м3. Столь значительное увлажнение резко ухудшает теплоизолирующую способность фасадной системы и существенно снижает долговечность конструкции в целом.
Что же касается плит из экструдированного пенополистирола (XPS), то все заявленные свойства теплоизоляции остаются неизменными. Выявленные значения эксплуатационной влажности позволяют точно рассчитать по формуле (1) истинную теплопроводность утеплителя в конкретной фасадной системе:
(1), где – теплопроводность материала в сухом состоянии, Вт/(м·оС); – приращение теплопроводности на 1% влажности, Вт/(м·оС·%); wэ – эксплуатационная влажность материала по массе, %; η – коэффициент теплотехнического качества [1], 1/%.
Экспериментально установлено, что значение коэффициента теплотехнического качества приблизительно постоянно для каждого вида материалов [1]. Согласно осредненным данным лабораторных исследований НИИСФ РААСН, коэффициент теплотехнического качества для экструдированного пенополистирола (XPS) составляет 0,035; для минеральной ваты – 0,04; для формованного пенополистирола/пенопласта (EPS) – 0,03.
Таким образом, зная значение теплопроводности в сухом состоянии и подставляя рассчитанные значения эксплуатационной влажности по формуле (1), можно вычислить, на сколько увеличится теплопроводность теплоизоляционного материала (следовательно, уменьшится критерий энергоэффективности [8, 9]) в той или иной конструкции в зимний период в различных климатических условиях.
Согласно значениям эксплуатационной влажности из Таблицы 1, составлена Таблица 2 со значениями приращений теплопроводности теплоизоляционных материалов (уменьшения их критерия энергоэффективности) в зимний период для различных вариантов конструкций при различных климатических условиях строительства.
Таблица 2 Приращение теплопроводности (уменьшение критерия энергоэффективности) в зимний период
Материал
Приращение теплопроводности
(уменьшение критерия энергоэффективности), %
Москва
Санкт-Петербург
Екатеринбург
Новосибирск
Владивосток
Краснодар
Минеральная вата
3,16 %
3,48 %
3,20 %
4,44 %
2,12 %
3,00 %
Пенопласт (EPS)
7,77 %
7,86 %
10,74 %
13,45 %
6,90 %
5,46 %
Экструдированный пенополистирол (XPS)
1,12 %
1,23 %
0,84 %
0,98 %
0,80 %
1,33 %
Более того, на первых этажах зданий перепад давления по разные стороны от ограждающей конструкции больше, чем на средних этажах и тем более на верхних этажах, поэтому в этой зоне повышена инфильтрация воздуха через стены. По этой причине помещения на нижних этажах требуют большей теплозащиты.
Таким образом, при условии сохранения одинаковой толщины теплоизоляции на всю высоту здания, на первых этажах требуются более эффективные утеплители. Теплопроводность экструдированного пенополистирола практически неизменна, поэтому его применение на первых этажах способствовало бы решению вышеизложенной проблемы.
Не стоит забывать и о скрытых угрозах, связанных с утратой должной биостойкости увлажненным слоем теплоизоляции СФТК. Устойчивость минеральных утеплителей к поражению микроскопическими (плесневыми) грибами, в соответствии с ГОСТ 9.049-91 Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов, была определена в микологическом исследовательском центре ООО «Микосфера».
Утеплитель заражали суспензией грибов в соответствующих средах и выдерживали в условиях высокой относительной влажности (соизмеримой с эксплуатационной влажностью), оптимальных для их развития. Инкубировали при температуре 22-25 С° в течение 30 суток. Через 30 суток (срок промежуточного осмотра) образцы осматривали и оценивали грибостойкость по интенсивности развития грибов.
По методу, описанному в ГОСТ 9.049-91, материал заражали спорами плесневых грибов в водном растворе минеральных солей. Плесневые грибы растут за счет солей минеральной среды и питательных веществ, содержащихся в материале. Метод имитирует загрязнение материала минеральными веществами. То есть частично воспроизводили возможный состав влаги, поступающей в слой теплоизоляции, в т.ч. за счет явлений капиллярного всасывания.
Выводы. Экструзионный пенополистирол (XPS) содержит питательные вещества или загрязнен в такой степени, что способствует лишь незначительному развитию грибов. Присутствие минеральных и/или органических веществ, поступающих с влажной средой в невлагостойкие утеплители, стимулируют развитие грибов в конструкции.
То есть невлагостойкие утеплители (например, минеральная вата) не обладают фунгицидностью, достаточной для применения в СФТК в зоне цокольных и первых этажей. В дальнейшем такое естественное биологическое воздействие может привести к биокоррозии всей конструкции. И даже если этого и не произойдет, то после подобного контакта с грибными колониями материал подлежит дальнейшей эксплуатации лишь после промывки и очистки.
Очевидно, утеплитель, способный впитывать влагу, является потенциальной матрицей для развития вредоносных микроорганизмов-деструкторов. Комплекс аргументов с точки зрения строительной теплофизики и с микологической позиции однозначно доказывает объективную эффективность применения эктрудированного пенополистирола (XPS) в СФТК в зоне цокольных и первых этажей.
Пастушков П.П., к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории «Строительная теплофизика» НИИСФ РААСН
Жеребцов А.В., руководитель технического отдела ООО «ПЕНОПЛЭКС СПб»
Статья написана по заказу Ассоциации полимерных энергоэффективных технологий «РАПЭТ»
Председатель Бакаев Андрей Валерьевич
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пастушков П.П. Влияние влажностного режима ограждающих конструкций с наружными штукатурными слоями на энергоэффективность теплоизоляционных материалов. Автореф. дисс. к.т.н., – М., НИИСФ, 2013 г.
2. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003.
3. Васильев Б.Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий. М.: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1957 г. – 214 с.
4. Пастушков П.П, Гринфельд Г.И., Павленко Н.В., Беспалов А.Е., Коркина А.В. Расчетное определение эксплуатационной влажности автоклавного газобетона в различных климатических зонах строительства // Вестник МГСУ, № 2, 2014 г.
5. Фокин К.Ф. Расчет последовательного увлажнения материалов в наружных ограждениях. В кн.: Вопросы строительной физики в проектировании. –М.–Л.: Стройиздат, 1941 г., с. 2-18.
6. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. М.: Стройиздат, 1984 г., –168 с.
7. ГОСТ 32494-2013 Здания и сооружения. Метод математического моделирования температурно-влажностного режима ограждающих конструкций.
8. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Критерий оценки энергоэффектифности теплоизоляционных материалов // Сборник докладов V Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». –М.: МГСУ. 20-22 ноября 2013 г., с. 367–371.
9. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Количественная оценка энергоэффективности энергосберегающих мероприятий // Строительные материалы, № 6, 2013 г., с. 7-9.