Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Технико-экономический анализ фасадных систем

А. С. Горшков, кандидат технических наук, эксперт

С. В. Корниенко, профессор кафедры «Архитектура зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

Проблема энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий путем совершенствования конструктивных решений фасадных систем, безусловно, актуальна. Комплексная оценка показателей различных типов фасадных систем в настоящее время отсутствует. Объектом исследования в данной статье является фасад жилого многоквартирного дома, проектируемого в составе жилого комплекса для условий холодного российского климата (ГСОП = 7649 Ксут/г.). Рассмотрены два типа современных фасадных систем — фасадная теплоизоляционная композиционная система и навесная фасадная система. Выполнен сравнительный анализ теплотехнических, экономических и эксплуатационных характеристик этих фасадных систем. По итогам технико-экономического анализа фасадных систем сделан вывод о том, что фасадные теплоизоляционные композиционные системы являются более надежными и экономически обоснованными системами, что открывает широкие возможности их дальнейшего изучения с целью эффективного применения в современном строительстве.
Ключевые слова: фасадная система, ограждающая конструкция, тепловая защита, экономический анализ, срок службы, пожар.

Введение
Проблема энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий путем совершенствования конструктивных решений фасадных систем, безусловно, актуальна [1, 2].
Конструкции стеновых ограждений с фасадными теплоизоляционными композиционными системами (СФТК) и навесными фасадными системами (НФС) имеют определенное своеобразие. В стенах расположены большие оконные проемы. Снаружи к стене примыкают балконные плиты, непосредственно связанные с междуэтажными перекрытиями. Здания имеют углы. Для крепления теплоизоляционного слоя к основанию стены применяют дюбели со стальным сердечником. Используемые для крепления подконструкции навесного фасада к основанию стены кронштейны создают в толще теплоизоляционного слоя металлические теплопроводные включения. Следовательно, по площади наружной стены практически нет участков, в пределах которых передачу теплоты можно было бы считать проходящей по одномерной схеме. За счет перечисленных конструктивных особенностей потери теплоты по всей площади ограждения оказываются часто большими, чем теплопотери, рассчитанные в предположении одномерности теплового потока [3–6].
Применение НФС предупреждает переувлажнение конструкций за счет устройства вентилируемых воздушных прослоек [7, 8]. В стенах с СФТК возможно образование плоскости максимального увлажнения в толще теплоизоляционного слоя или на стыке с наружным штукатурным слоем [9, 10]. Расположение плоскости максимального увлажнения зависит, главным образом, от конструктивного решения ограждения и параметров окружающей среды. Несмотря на то, что влагозащитные свойства ограждающих конструкций с СФТК, как правило, обеспечены, сближение профилей парциального давления водяного пара и давления насыщенного пара в конструкции указывает на возможность повышения влажности материала теплоизоляционного слоя.
Область применения СФТК и НФС обусловлена не только новым строительством, но и реновацией зданий и сооружений [11–15].

Рис. 1. Фасадная теплоизоляционная композиционная система (СФТК) [16]

Рис. 2. Навесная фасадная система (НФС) [16]

Обзор литературных источников показал, что комплексная оценка показателей современных фасадных систем в настоящее время отсутствует. Этим определяется актуальность данного исследования.

Цель исследования: комплексная оценка теплотехнических, экономических и эксплуатационных показателей СФТК и НФС.

Задачи исследования:

— расчет приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен при различном конструктивном исполнении фасадов;

— оценка соответствия стен поэлементным требованиям по тепловой защите зданий;

— оценка стоимости рассматриваемых фасадных систем;

— общая сравнительная оценка факторов, влияющих на срок службы фасадных систем.

Объектом исследования является фасад жилого многоквартирного дома, проектируемого в составе жилого комплекса. Проектируемый объект имеет 5 этажей. Количество секций — 1. Пункт строительства — г. Свободный Амурской области (ГСОП = 7649 К×сут/г.) (табл. 1).

Таблица 1. Расчетные условия

Наружные стены запроектированы с основанием из монолитного железобетона толщиной 160 мм и наружной теплоизоляцией из минераловатных плит на синтетическом связующем. Расчетная теплопроводность материала теплоизоляционного слоя l_ут = 0,042 Вт/(м×К). Толщина теплоизоляционного слоя составляет 200 и 250 мм (по вариантам расчета). Для сравнительного анализа выбраны два типа фасадных систем — СФТК и НФС (рис. 1, 2). При этом для НФС рассмотрены два типа подконструкции — из коррозионностойкой (нержавеющей) стали (НФС₁) и алюминия (НФС₂). В качестве наружного облицовочного слоя в НФС приняты плиты из керамогранита.

Методы

Оценка соответствия стен поэлементным требованиям по тепловой защите зданий выполнена согласно СП 50.13330.2012.

Для правильного расчета тепловых потерь через ограждения сложной конструкции используют так называемое приведенное сопротивление теплопередаче ограждения R_о^пр. Величина R_о^пр характеризует усредненную по площади плотность потока теплоты через фрагмент теплозащитной оболочки здания в стационарных условиях теплопередачи.

Наиболее точно величина R_о^пр может быть определена по результатам расчета температурного поля [3]. Однако чрезвычайно высокая трудоемкость расчета температурных полей, отсутствие доступных специалистам программ и программно-вычислительных комплексов, необходимых для расчета, трудность интерпретации результатов расчета сдерживают широкое применение этого метода в проектной практике.

В СП 50.13330.2012 используют элементный способ расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждения. Расчет основан на представлении фрагмента теплозащитной оболочки здания в виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет на тепловые потери через фрагмент. Удельные потери теплоты, обусловленные каждым элементом, находят на основе сравнения потока теплоты через узел, содержащий элемент, и через тот же узел, но без исследуемого элемента. Использование табличных данных СП 230.1325800.2015 позволяет частично или полностью исключить расчеты температурных полей в процессе проектирования или экспертной оценки конструкций. Влияние кронштейнов в НФС дополнительно учтено на основе данных СП 345.1325800.2017.

Приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше требуемых (R_о^тр) или нормируемых (R_о^норм) значений.

Экономическое сравнение различных фасадных решений выполнено на основании данных, представленных в открытых источниках сети Интернет. Расчет выполнен по укрупненным показателям без учета стоимости доставки материалов на объект. В связи с этим представленные ниже результаты расчета являются оценочными и не претендуют на полноту и повышенную точность.

Сравнение прогнозируемых сроков службы рассматриваемых типов фасадных систем также выполнено на основании представленных в открытых источниках.

Результаты и обсуждение

В процессе проектирования тепловой защиты зданий основное внимание уделено разработке энергосберегающих конструктивных решений узлов наружных стен.

В составе наружной стены узел примыкания оконных блоков к стене является наиболее распространенным теплозащитным элементом. Толщина рамы в расчете принята равной 70 мм. Оконный блок расположен сразу за слоем теплоизоляции. Нахлест теплоизоляции составляет 20 мм.

При наружной теплозащите стен торцы междуэтажных плит перекрытий закрыты слоем теплоизоляции, поэтому они не являются «мостиками холода». Для выбранного типа наружных стен следует учитывать только стыки с балконными плитами, так как в этих местах происходит разрыв теплоизоляционного слоя. Толщина плит перекрытия составляет 180 мм. Для уменьшения потерь теплоты через балконные плиты предусмотрена перфорация.

При креплении теплоизоляционных плит к основанию стены расстояние от края стального распорного элемента до тарелки дюбеля принято равным 30 мм. Диаметр металлического распорного элемента — не более 5 мм.

Сопряжения наружной стены с перекрытием над техподпольем и чердачным перекрытием имеют небольшую протяженность и эффективную теплоизоляцию, поэтому тепловые потери через указанные участки в расчете не учитывались.

Применение указанных конструктивных решений узлов наружной стены приводит к уменьшению удельных тепловых потерь через узел и практически исключает возможность конденсации влаги на внутренней поверхности стены в холодный период года.

Результаты теплотехнических расчетов наружных стен с рассматриваемыми фасадными системами приведены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты теплотехнических расчетов наружных стен

Как видно из рис. 3, приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен с СФТК при одной и той же толщине слоя теплоизоляции выше, чем у стен с НФС. Наружные стены с СФТК теплотехнически более однородны по сравнению с наружными стенами с НФС. С увеличением толщины теплоизоляционного слоя влияние теплотехнически неоднородных участков стены возрастает. Наибольшее влияние таких участков отмечается для НФС с алюминиевой подконструкцией и толщиной теплоизоляционного слоя 250 мм.

Результаты расчетов показывают, что только один вариант фасадов — СФТК с толщиной слоя теплоизоляции 250 мм, соответствует поэлементным требованиям СП 50.13330.2012 без дополнительных ограничений.

Все остальные варианты фасадов соответствуют нормативным требованиям по тепловой защите только в том случае, если при выполнении расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания по методике приложения Г СП 50.13330.2012 выполняются требования п. 10.1 к данной удельной характеристике, т. е. зависят от множества других характеристик проектируемого объекта: формы и размеров здания, теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций, кратности воздухообмена, величины бытовых и солнечных теплопоступлений, инженерных решений.

Таким образом, по итогам выполненных теплотехнических расчетов можно утверждать, что проектное решение наружных стен с СФТК для рассматриваемого объекта при толщине теплоизоляционного слоя 250 мм является наиболее обоснованным.

Результаты экономической оценки рассматриваемых фасадных систем представлены на рис. 4.

Рис. 4. Экономическое сравнение наружных стен

Из рис. 4 видно, что СФТК являются наиболее экономичными. НФС примерно в два раза дороже, чем СФТК, при одинаковой толщине теплоизоляции.

Ввиду отсутствия надежных экспериментальных данных достоверно установить срок службы СФТК и НФС в российских климатических условиях не представляется возможным. Территория России отличается значительным разнообразием климатических условий, поэтому фактический срок службы фасадных систем, даже при наличии отказов, должен учитывать условия их эксплуатации и интенсивность климатических воздействий.

При оценке срока службы фасадных систем следует учитывать риски, связанные с пожаром. Наличие вентилируемой воздушной прослойки между слоем теплоизоляции и облицовочным слоем способствует быстрому распространению пламени по фасаду, поэтому риск повреждения фасадов в результате огневого воздействия на НФС выше, чем на СФТК (рис. 5).

Рис. 5. Повреждение НФС многоквартирных жилых домов в результате пожара: а)  г. Владивосток, ЖК «Атлантис» [17]

Рис. 5. Повреждение НФС многоквартирных жилых домов в результате пожара: б)  г. Москва, ул. Ивана Бабушкина

Рис. 5. Повреждение НФС многоквартирных жилых домов в результате пожара: в) г. Грозный, ЖК «Олимп»

Рис. 5. Повреждение НФС многоквартирных жилых домов в результате пожара: г) г. Красноярск, ул. Шахтеров

Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев основной причиной значительного повреждения НФС являлось применение на фасадах алюминиевых композитных панелей [21].
Результаты общей сравнительной оценки факторов, влияющих на срок службы рассматриваемых типов фасадных систем, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Общая сравнительная оценка факторов, влияющих на срок службы фасадных систем

При эксплуатации НФС в условиях городской среды высока вероятность попадания пыли на внешнюю поверхность минераловатных изделий, в результате чего ускоряется процесс коррозии несущих металлических элементов НФС [22] и снижается долговечность фасадной системы в целом. Данное обстоятельство также следует учитывать при прогнозировании срока службы фасадных систем.
Заключение
По совокупности всех рассмотренных выше факторов СФТК являются более надежными и экономически обоснованными системами, что открывает широкие возможности их дальнейшего изучения с целью эффективного применения в современном строительстве.

Литература
1. Geng Y., Ji W., Wang Z., Lin B., Zhu Y. (2019). A review of operating performance in green buildings: Energy use, indoor environmental quality and occupant satisfaction. Energy and Buildings. 2019. Vol. 183. Pp. 500–514.
2. Kauskale L., Geipele I., Zeltins N., Lecis I. (2016). Energy Aspects of Green Buildings — International Experience. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences. 2016. No. 53 (6). Pp. 21–28.
3. Korniyenko S. V. (2014). The experimental analysis and calculative assessment of building energy efficiency. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 618. Pp. 509–513.
4. Корниенко С. В. Повышение энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь через краевые зоны ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 348–351.
5. Statsenko E. A., Ostrovaia A. F., Musorina T. A., Kukolev M. I., Petritchenko M. R. (2016). The elementary mathematical model of sustainable enclosing structure. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 8 (68). Pp. 86–91.
6. Попова Е. Е., Городилова А. Е., Куколев М. И. Повышение энергоэффективности домов с помощью навесных вентилируемых фасадов // Ростовский научный журнал. 2017. № 12. С. 367–378.
7. Statsenko E. A., Ostrovaia A. F., Olshevskiy V. Ya., Petrichenko M. R. (2018). Temperature and velocity conditions in vertical channel of ventilated façade. Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 4 (80). Pp. 119–127.
8. Корниенко С. В. О применимости методики СП 50.13330.2012 к расчету влажностного режима ограждающих конструкций с мультизональной конденсацией влаги // Строительство и реконструкция. 2014. № 5 (55). С. 29–37.
9. Гагарин В. Г., Зубарев К. П., Козлов В. В. Определение зоны наибольшего увлажнения в стенах с фасадными теплоизоляционными композиционными системами с наружными штукатурными слоями // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 1 (54). С. 125–132.
10. Корниенко С. В., Ватин Н. И., Горшков А. С. Оценка влажностного режима стен с фасадными теплоизоляционными композиционными системами // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 6 (45). С. 34–54.
11. Dotzler C., Botzler S., Kierdorf D., Lang W. (2018). Methods for optimising energy efficiency and renovation processes of complex public properties. Energy and Buildings. 2018. Vol. 164. Pp. 254–265.
12. Hamid A. A., Farsäter K., Wahlström A., Wallentén P. (2018). Literature review on renovation of multifamily buildings in temperate climate conditions. Energy and Buildings. 2018. Vol. 172. Pp. 414–431.
13. Korniyenko S. V. (2018). Renovation of Residential Buildings of the First Mass Series. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. No. 463(2), 022060.
14. Borodinecs A., Zemitis J., Sorokins J., Baranova D. V., Sovetnikov D. O. (2016). Renovation need for apartment buildings in Latvia. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 68(8). Pp. 58–64.
15. Gorshkov A. S., Vatin N. I., Rymkevich P. P., Kydrevich O. O. (2018). Payback period of investments in energy saving. Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 2 (78). Pp. 65–75.
16. Технический портал ТехноНИКОЛЬ [сайт]. URL: http://nav.tn.ru/systems/fasad-i-stena/tn-fasad-profi/ (дата обращения: 29.07.2019).
17. Nevsedoma. URL: http://nevsedoma.com.ua/?newsid=15773 (дата обращения: 11.06.2019).
18. URL: http://fishki.net/23545-v-moskve-zagorelas-vysotka-91-foto.html (дата обращения: 11.06.2019).
19. The Kiev Times. URL: http://thekievtimes.ua/video/220483-pozhar-v-odnoj-iz-vysotok-kompleksa-groznyj-siti.html (дата обращения: 11.06.2019).
20. DелаRu [сайт]. URL: http://dela.ru/lenta/127745/ (дата обращения: 11.06.2019).
21. Машенков А. М., Чебурканова Е. В. Проблемы пожарной безопасности навесных вентилируемых фасадов // АВОК. 2007. № 8. С. 32–41.
22. Умнякова Н. П. Влияние загрязнений окружающей среды города на конструкции вентилируемых фасадов // Вестник МГСУ 2011. № 3. С. 221–226.

Скачать статью в pdf-формате: Технико-экономический анализ фасадных систем