УДК 699.86

Анализ экономической целесообразности применения различных ограждающих конструкций зданий

 

В.П. ЯРЦЕВ, доктор техн. наук, профессор, С.А. СТРУЛЕВ, ст. преподаватель, А.А. МАМОНТОВ, ст. преподаватель, И.А. СТРУЛЕВА, аспирант, кафедра «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»; А.В. ЖЕРЕБЦОВ, начальник технического отдела, Е.О. ПОПИНАКО, технический специалист, ООО «ПЕНОПЛЭКС СПб»

Ключевые слова: энергоэффективность, теплоизоляция, ограждающая конструкция, минеральная вата, экструдированный пенополистирол
Keywords: energy efficiency, thermal insulation, enclosing structure, mineral wool, extruded polystyrene

Данная работа посвящена оценке энергетической эффективности и экономической целесообразности практического применения различных решений ограждающих конструкций на основе плит из минеральной ваты и экструзионного пенополистирола. Анализ проведен на основе данных, полученных при натурных испытаниях в течение одного года полноразмерных стендов.

Экономическое обоснование применения того или иного теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях зданий и сооружений можно разделить на три основные составляющие. Во-первых, стоимость материала и затраты на его монтаж при ведении строительных работ. Во-вторых, долговечность материала и, как следствие, количество затрат на его ремонт и замену. И наконец, в-третьих, энергетическая эффективность принятого конструктивного решения ограждения, которое позволяет снизить затраты на отопление зданий.

Как правило, специалисты, работающие в данной области, не берут в расчет второй и третий факторы, а принимают решение, основываясь на сравнении стоимости теплоизоляционного материала и его монтажа. Однако расчеты показывают, что гораздо больший вклад в экономическую эффективность материала вносят именно эти неучтенные факторы. В условиях мировых и российских тенденций по снижению вредных выбросов, повышению энергоэффективности, развитию зеленого строительства и защите окружающей среды, а также в условиях посткризисного развития экономики выбор теплоизоляционного материала для ограждающих конструкций без учета всех действующих факторов представляется непозволительной роскошью.

В связи с вышеизложенными соображениями авторами был проведен сравнительный анализ широко распространенных на практике конструктивных решений ограждений зданий на основе оценки их эксплуатационных параметров в условиях реальной работы. В рамках этого анализа авторы постарались учесть все три значимо действующих фактора. Были проведены натурные испытания для оценки энергоэффективности различных утеплителей в ограждающих конструкциях и лабораторные исследования длительных характеристик теплоизоляционных материалов, в том числе и их долговечности.

Для сравнения были приняты наиболее часто применяемые конструктивные решения ограждений при строительстве малоэтажных жилых и общественных зданий на территории Тамбовской области. В качестве утеплителя применялись плиты минеральной ваты и экструдированный пенополистирол. Для проведения натурных исследований был создан испытательный полигон, состоящий из стендов различной конструкции (рис. 1). Стенды типов 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 представляют собой модель малоэтажного дома с бесчердачным покрытием, схема которого приведена на рис. 2.

Строения испытательного полигона отличаются видом используемых теплоизоляционных материалов и конструктивными решениями ограждений, представленных на рис. 3. Подробнее о методике проведения натурных исследований рассказано в работе [1].

Для оценки экономичности принятых конструктивных решений был проведен мониторинг розничных цен исследуемых материалов и стоимости монтажа фасадных конструкций на рынке Тамбовской области. В табл. 1 и 2 приведены цены на теплоизоляционные материалы в розничной сети по состоянию на декабрь 2017 г., стоимость работ по монтажу учитывается по данным мониторинга установленных цен подрядных организаций.

Для домов, построенных по каркасной технологии (типы 2.1 и 2.2), конструкция ограждений отличается только видом и толщиной утеплителя, а трудозатраты на их изготовление и монтаж сопоставимы, поэтому при оценке экономичности на стадии производства работ по возведению каркасно-панельных зданий достаточно сравнить стоимость теплоизоляционных материалов.

В табл. 1 приведены цены на теплоизоляционные материалы и работы по устройству фасадных систем для испытательных стендов типа 1.1 (Система фасадная теплоизоляционная композиционная (СФТК) с наружными штукатурными слоями и плитами ПЕНОПЛЭКС®) и типа 1.2 (вентилируемый фасад с плитами минеральной ваты).

Из табл. 1 видно, что наиболее дорогостоящим является экструзионный пенополистирол. Его стоимость приблизительно в 1,7-1,8 раза больше, чем минеральной ваты.

Для учета затрат на стадии эксплуатации зданий с различными видами утеплителя в ограждающих конструкциях необходимо сравнить долговечность рассматриваемых материалов. Чем она меньше, тем чаще нужно проводить ремонтные работы. Для простоты расчетов не будем учитывать возможность возникновения различных форс-мажорных обстоятельств, а сравним лишь количество вынужденных замен утеплителя в конструкциях стен при одинаковой капитальности здания с учетом долговечности теплоизоляционных материалов. При проведении сравнительного анализа необходимо учитывать, что заявленная производителем долговечность не всегда соответствует действительности.

Так, заявленный срок эксплуатации плит минеральной ваты и ПЕНОПЛЭКС® составляет 50 лет. Однако с учетом воздействия таких эксплуатационных факторов, как высокие напряжения и температуры, а также агрессивность среды, реальная долговечность этих материалов может составить 15-20 лет для плит из минеральной ваты и не менее 30 лет для экструзионного пенополистирола. Ранее [2] было показано, что экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС® в рассматриваемых условиях должен прослужить не менее 30 лет. В табл. 3 приведены расчеты эксплуатационных затрат на замену утеплителей при их различных сроках службы.

Из табл. 1 и 2 видно, что, несмотря на большую стоимость экструзионного пенополистирола, конечная стоимость монтажа фасадных систем с его применением ниже. Это объясняется высокой трудоемкостью монтажа вентилируемых фасадов и стоимостью комплектующих.

Учитывая, что срок службы теплоизоляционных материалов измеряется интервалом, то наступление критического события возможно в разное время. В табл. 3 и 4 рассчитаны затраты на ремонт для каждого из выбранных утеплителей и фасадных систем при пессимистичном и оптимистичном вариантах развития событий. Оптимистичный вариант развития событий соответствует заявленной производителем долговечности теплоизоляционных материалов. Пессимистичный отражает снижение сроков эксплуатации под воздействием неблагоприятных факторов среды различной интенсивности. Если предположить, что вероятность развития событий по тому или иному сценарию одинакова, то в качестве ожидаемых затрат за период эксплуатации можно принять среднее арифметическое значение (см. табл. 3 и 4). Однако следует отметить, что из-за меньшей прочности, большей чувствительности к воздействию влаги и хрупкости плиты из минеральной ваты более подвержены воздействию неблагоприятных факторов, а следовательно, и сокращению времени их реальной эксплуатации. В этом случае можно сделать вывод, что уменьшение расходов на замену утеплителя в процессе эксплуатации здания при использовании экструзионного пенополистирола может частично или полностью компенсировать разницу в стоимости используемых материалов. Оценить влияние данного факта в численном выражении на данном этапе не представляется возможным ввиду низкой степени изученности вопроса. Для дальнейшего анализа примем, что сценарии развития событий равновероятны.

В ходе натурных испытаний в течение отопительного периода фиксировался расход электроэнергии на отопление испытательных стендов (табл. 5).

Оценку величины энергопотребления испытательных стендов разных типов производили с учетом их отапливаемых объемов, значения которых приведены в табл. 6.

Как видно из табл. 6, объемы стендов типа 1 не различаются, а типа 2 – отличаются незначительно (различие составляет менее 1%), что может не учитываться при подведении итоговых результатов.

Приведенные на рис. 4 результаты показывают, что за рассмотренный период стенды всех типов, в которых в качестве утеплителя использовался экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС, отличаются меньшим энергопотреблением (рис. 4).

Подводя итоги, можно отметить, что при оценке общего экономического эффекта от применения того или иного теплоизоляционного материала, помимо учтенных ранее факторов, необходимо принимать во внимание срок эксплуатации здания и его площадь.

На рис. 5 и 6 приведены данные по сводному анализу затрат с учетом всех трех значимо действующих факторов.

Таким образом, выполненный по аналогии с [3, 4] анализ показывает, что ограждающие конструкции с применением экструзионного пенополистирола отличаются минимальной из рассматриваемых решений стоимостью монтажа, обслуживания и эксплуатации. Это позволяет сделать вывод о высокой экономической целесообразности их применения. Снижение срока службы уменьшает экономический эффект из-за более высокой стоимости ремонта, обусловленной высокими затратами на замену материала. Особенно это характерно для домов с несущей частью стены из газосиликатных блоков, в которых применение дорогостоящих фасадных систем проигрывает на стадии монтажа штукатурным. В любом случае более высокие теплотехнические характеристики ограждающих конструкций с применением экструзионного пенополистирола обеспечивают снижение затрат на отопление и эксплуатацию объекта в целом. Применение минеральной ваты оправданно только в вентилируемых фасадных системах при безремонтной эксплуатации, что представляется весьма маловероятным.

Библиографический список

1. Ярцев В.П. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов, С.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. – 2013, №1, с. 8-11.
2. Ярцев В.П. Анализ влажности различных утеплителей в ограждающих конструкциях здания при эксплуатации в отопительный период / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Academia. Архитектура и строительство. – 2013, №4, с. 117-119.
3. Ярцев В.П. Оценка энергоэффективности ограждающих каркасно-щитовых конструкций с различными утеплителями за отопительный период / В.П. Ярцев, С.А. Струлев, А.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. – 2014, №1(55), с. 26-27.
4. Ярцев В.П. Сравнительный анализ эффективности применения утеплителей в каркасном домостроении / В.П. Ярцев, А.А. Мамонтов // Кровельные и изоляционные материалы. – 2016, №6, с. 32-35.