Энергоэффективные биопозитивные конструкции в зданиях гражданского назначения для условий Санкт-Петербурга

УДК 69.036

А. В. Кузнецов

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ БИОПОЗИТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В ЗДАНИЯХ ГРАЖДАНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Дата поступления: 29.1 1.2016 Решение о публикации: 19.12.2016

Цель: Разработка технических решений по повышению энергоэффективности жилых зданий. Методы: Натурный эксперимент, теплотехническое обследование жилых зданий. Результаты: В условиях роста глобальной среднегодовой температуры за последнее столетие изменились и климатические параметры Санкт-Петербурга. Продолжительность зимнего периода сократилась на 13 дней по сравнению с первой половиной XX в. за счет более раннего наступления весны. Конец зимы сместился в сторону более холодной части года, а начало осталось неизменным. При этом зимы в районе Санкт-Петербурга стали холоднее. Изменение климатических параметров Санкт-Петербурга отражается на энергоэффективности жилого фонда, возведенного с конца 1990-х гг. с применением технологии монолитного домостроения. В работе проведено теплотехническое обследование жилых зданий монолитной конструкций в Санкт-Петербурге. В результате выявлены следующие дефекты: образование мостиков холода в конструкции сопряжения плит перекрытия со стеновыми ограждающими конструкциями; нарушение температурно-влажностного режима в жилых помещениях; снижение комфорта проживания в квартирах; рост образования плесневых грибов в ряде случаев. Для создания благоприятных условий проживания человека разработано конструктивное решение, улучшающее теплотехнические характеристики наружных стен. Суть технического решения заключается в применении клапана, находящегося в толще стены и обеспечивающего проникновение наружного воздуха в воздушную прослойку или препятствующего ему. Практическая значимость: Применение предлагаемого конструктивного решения после дополнительных экспериментальных исследований повысит энергоэффективность жилых домов в условиях изменения климатических параметров.

Жилое здание, энергоэффективность, наружная стена, воздушная прослойка, клапан.

Anatoly V. Kuznetsov, assistant (Petersburg State Transport University) ENERGY EFFICIENT BIO POSITIVE DESIGNS IN THE BUILDINGS OF CIVIL PURPOSE FOR THE CONDITIONS OF ST. PETERSBURG CITY

Objective: Development of technical solutions for improving energy efficiency in residential buildings. Methods: Field experiment, thermal inspection of residential buildings. Results: In the conditions of rising global mean annual temperature over the last century, changed climatic parameters of St. Petersburg city. The duration of the winter period decreased by 13 days compared to the first half of the XX century due to the earlier onset of spring. The shift of the winter end has shifted to a colder part of the year and beginning remained unchanged. The winter in the district

of St. Petersburg became colder. The change of climatic parameters of St. Petersburg affects the efficiency of the housing stock built since the late 90s. using the technology of monolithic housing construction. In the work conducted thermal survey of residential buildings of monolith structures in St. Petersburg. The result revealed the following defects: the formation of cold bridges in the construction of the pairing of the slabs with wall enclosing structures; disturbance of temperature and humidity conditions in residential areas; a deterioration of living conditions in the apartments; in some cases, the growth of education fungi. To create favorable conditions for human habitation designed a constructive solution that improves the thermal performance of the exterior walls. The technical solution is the use of the valve, in the thickness of the wall and provides or prevents the penetration of outside air in the air layer. Practical importance: The application of the proposed constructive solution after additional experimental studies will improve the energy efficiency of residential buildings in the context of changing climatic parameters.

Residential building, energy efficiency, external wall, air layer, valve.

В XXI в. одним из важнейших международных вопросов, лежащих в плоскости интересов развитых государств, является изменение климата [9, 11, 13, 14]. Хозяйственная деятельность человека, предполагающая выбросы парниковых газов в атмосферу, повышает скорость глобального потепления. Ежегодно в целом ряде регионов хозяйственно-экономическая деятельность наносит большой ущерб. В целях устойчивого развития Российской Федерации комплексный междисциплинарный подход по изучению проблем, связанных с климатом, позволяет выработать оптимальные решения, направленные на минимизацию рисков от разного рода силовых и несиловых воздействий в контексте описываемого вопроса. Президентом РФ 17 декабря 2009 г. принята Климатическая доктрина, в которой констатируется существование подобного рода проблем, дается качественная оценка глобальному потеплению, устанавливается область рисков, рассматриваются задачи по обеспечению и реализации целого комплекса мер по адаптации и смягчению антропогенного воздействия на климат [2].

На макро- и микроэкономическом уровне поставленные задачи также решаются в строительном секторе и направлены на повышение энергоэффективности зданий [1, 5, 7, 12, 15].

Изменение климатических параметров Санкт-Петербурга

В условиях, когда прирост среднегодовой температуры по земному шару за последнее столетие увеличился на 0,6 °C [10], изменились и климатические параметры для Санкт-Петербурга. С 1980-х гг. наблюдается активное повышение среднегодовой глобальной температуры воздуха. Это привело к тому, что продолжительность зимнего периода за указанный промежуток времени сократилась на 13 дней по сравнению с первой половиной ХХ в., главным образом за счет более раннего наступления весны. Конец зимы сме-

стился в сторону более холодной части года. Начало зимнего периода осталось неизменным. Зимы в районе Санкт-Петербурга стали холоднее [5, 8].

Изменение климатических параметров для целого ряда регионов нашло отражение в новой редакции строительных норм, а именно в СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». В связи с этим возник вопрос об энергоэффективности жилого фонда Санкт-Петербурга, построенного начиная с конца 1990-х гг. с применением технологии монолитного домостроения.

Конструкция многоэтажных жилых зданий

В Российской Федерации с 1990-х гг. почти повсеместно наблюдается рост строительства многоэтажных жилых зданий монолитной конструкции с поэтажным опиранием стен на консольные выпуски дисков перекрытий [4]. Данный подход позволяет четко разделить конструктивные элементы здания по функциональному назначению на несущие и ограждающие конструкции. При этом в качестве несущих элементов конструкции выступает железобетонное перекрытие, а ограждающей конструкцией служит наружная стена. Один из вариантов узла сопряжения диска перекрытия со стеной представлен на рис. 1.

Здания описываемого типа выполняются по перекрестно-стеновой конструктивной системе. Элементами, воспринимающими нагрузки от монолитных перекрытий, как правило, являются внутренние стены. Наружные ограждающие конструкции выполняются в виде поэтажно опертых стен, воспринимающих ограниченную нагрузку в пределах этажа. В монолитно-каркасном здании наружные стены выполняются из легких эффективных материалов, например пенобетона.

В настоящее время существует несколько вариантов решения конструктивных узлов зданий подобной конструкции, вследствие того что до конца не решены проблемы энергосбережения.

В рассматриваемых стеновых конструкциях, где в качестве теплоизолирующего слоя применялся монолитный пенобетон, не всегда выдерживается установленная нормативными документами эксплуатационная влажность 12 %. Влажность взятых проб превосходила проектную, что является нарушением СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», п. 8.5. Проникновение водяных паров в толщу теплоизоляции значительно ухудшает теплопроводные характеристики материала.

Существующее многообразие конструктивных узлов объясняется тем, что проектировщиками до конца не решен целый ряд вопросов, в том числе:

• обеспечение комфортных условий по санитарно-гигиеническим требованиям;

• неоправданно высокие теплопотери здания;

• неполное соблюдение требования СП 23-101-2004, п. 5.2.3;

• влияние гидрофизических свойств монолитного пенобетона на теплоизоляционные качества наружного ограждения.

Рис. 1. Узел сопряжения диска перекрытия со стеной

Результаты и обсуждение

Автором исследованы жилые здания монолитной конструкций в Санкт-Петербурге. В результате теплотехнических исследований выявлены следующие дефекты:

• образование мостиков холода в конструкции сопряжения плит перекрытия и стеновых ограждающих конструкций;

• нарушение температурно-влажностного режима в жилых помещениях;

• снижение комфорта проживания в квартирах;

• рост образования плесневых грибов в ряде случаев.

В целях создания благоприятной экологической обстановки в жилище человека, связанной с проблемой энергосбережения, созданием энергоэффективных конструкций и уменьшением негативного влияния неблагоприятных факторов окружающей среды на здоровье человека, предлагается рассмотреть разработанное конструктивное решение наружной стены.

На рис. 2 представлена схема работы клапана, находящегося в толще стены. Механическое открывание и закрывание клапана обеспечивает проникновение наружного воздуха в воздушную прослойку или препятствует ему. Работа механического устройства осуществляется путем поворота заглушки с отверстиями [6].

КЛАПАН

ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКИ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКИ

Рис. 2. Ручная регулировка открытого-закрытого положения клапана: 1 - внутренний слой стены; 2 - наружный слой стены; 3 - верхняя часть воздушной прослойки; 4 - нижняя часть воздушной прослойки; 5 - заслонка (диск с отверстиями в открытом положении); 6 - заслонка (диск с отверстиями в закрытом положении);

7 - шток привода заслонки

По сравнению с существующими вариантами конструкции стен, имеющими либо вентилируемую воздушную прослойку, обеспечивающую и просушивание, и охлаждение стен в жаркий период года, либо замкнутую воздушную прослойку, обеспечивающую тепловую защиту в холодный период года, предлагаемая конструкция делает воздушную прослойку универсаль-

ным средством, интегрирующим положительные свойства вентилируемой и замкнутой воздушной прослойки и улучшающим теплотехнические характеристики наружных стен.

Для определения размеров входных отверстий, материалов конструктивных элементов зданий, особенностей функционирования и экономического эффекта от применения предлагаемых узлов необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Библиографический список

1. Ватин Н. И. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте / Н. И. Ватин, А. С. Горшков, Д. В. Немова // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2013. - № 3 (8). - С. 1-11.

2. Климатическая доктрина Российской Федерации (распоряжение Президента РФ от 17 декабря 2009 г. № 861-рп).

3. Корниенко С. В. Оценка энергоэффективности с учетом влияния краевых зон ограждающих конструкций на теплопотери здания / С. В. Корниенко // Вестник МГСУ. -2011. - № 7. - С. 167-173.

4. Кузнецов А. В. Недостатки зданий монолитно-каркасной конструкции г. Санкт-Петербурга / А. В. Кузнецов // Известия Петербургского университета путей сообщения. -2005. - № 3 (5). - С. 37-41.

5. Марков Д. И. Особенности формирования энергоэффективных жилых зданий средней этажности / Д. И. Марков // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - № 5 (60). - С. 29-33.

6. Патент 118655 РФ. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами / А. В. Кузнецов, В. Б. Мартиров, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ПГУПС, опубл. 10.08.2012.

7. Савин В. К. Новые подходы к оценке энергосбережения и энергетической эффективности в строительной отрасли / В. К. Савин // Academia. Архитектура и строительство. - 2010. - № 3. - С. 241-245.

8. Carlin L. N. Climatic characteristics of St. Petersburg in the period of global warming / L. N. Carlin, Y. V. Efimov, A. V. Nikiforov // Proceedings of the Russian state hydrometeo-rological university. - 2005. - № 1. - Pp. 22-30.

9. Crate S.A. Anthropology and climate change: from encounters to actions / S. A Crate, M. Nuttall. - Routledge, 2016. - 416 p.

10. Groyssman P. B. On the influence of urbanization on the assessment of global warming / P. B. Groyssman, V. V. Koknaeva // Meteorology and Hydrology. - 1991. - № 9. -Pp.129-135.

11. Hansen J. Regional climate change and national responsibilities / J. Hansen, M. Sato // Environmental Research Letters. - 2016. - № 3 (11).

12. Marie I. Reducing the impact of climate change by applying information technologies and measures for improving energy efficiency in urban planning / I. Marie, M. Pucar, B. Kovacevie // Energy and Buildings. - 2016. - № 115. - Pp.102-111.

13. Sachs N. M. The limits of energy efficiency markets in climate-change law / N. M. Sachs // Law faculty publications. - 2016. - Pp. 2237-2270.

14. Seinfeld J. H. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change / J. H. Seinfeld, S. N. Pandis. - John Wiley & Sons, 2016. - 1152 p.

15. Stavrakakis G. A multi-objective decision model for the improvement of energy efficiency in buildings / G. Stavrakakis, C. Diakakia, E. Grigoroudisb, N. Kabelis, D. Kolokotsa, K. Kalaitzakis // Energy. - 2010. - № 12 (35). - Pp. 5483-5496.

References

1. Vatin N. I., Gorshkov A. S. & Nemova D. V. Stroitelstvo unikalnyih zdaniy i sooru-zheniy - Construction of unique buildings and structures, 2013, no. 3 (8), pp. 1-11.

2. Klimaticheskaja doktrina Rossijskoj Federacii [Climate doctrine of the Russian Federation] (rasporjazhenie Prezidenta RF ot 17 dekabrja 2009 g. № 861-rp).

3. Kornienko S. V. VestnikMGSU- VestnikMGSU, 2011, no. 7, pp. 167-173.

4. Kuznetsov A. V. Izvestiya PGUPS - Proceedings of Petersburg Transport University, 2005, no. 3 (5), pp. 37-41.

5. Markov D. I. Stroitelnyie materialyi, oborudovanie, tehnologii XXI veka - Building materials, equipment, technologies of XXIcentury, 2012, no. 5 (60), pp. 29-33.

6. Patent 118655 RU. MPK E04B2/00, E04B1/76. Mnogoslojnaja stena s reguliruemymi teplozashhitnymi svojstvami [Multilayer wall with adjustable thermal properties]. A. V. Kuznecov, V. B. Martirov, patent aphlicant and owner FGBOU VO PGUPS (RU), publ. on 10.08.2012.

7. Savin V. K. Academia. Arhitektura i stroitelstvo - Academia. Architecture and construction, 2010, no. 3, pp. 241-245.

8. Carlin L. N., Efimov Y. V. & Nikiforov A. V. Proceedings of the Russian state hydro-meteorological university, 2005, no. 1, pp. 22-30.

9. Crate S.A. & Nuttall M. Anthropology and climate change: from encounters to actions. - Routledge, 2016. - 416 p.

10. Groyssman P. B. & Koknaeva V. V. Meteorology and Hydrology, 1991, no. 9, pp. 129-135.

11. Hansen J. & Sato M. Environmental Research Letters, 2016, no. 3 (11).

12. Marie I., Pucar M. & Kovacevie B. Energy and Buildings, 2016, no. 115, pp. 102-111.

13. Sachs N. M. Law faculty publications, 2016, pp. 2237-2270.

14. Seinfeld J. H. & Pandis S. N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. - John Wiley & Sons, 2016. - 1152 p.

15. Stavrakakis G., Diakakia C., Grigoroudisb E., Kabelis N., Kolokotsa D. & Kalaitzakis K. Energy, 2010, no. 12 (35), pp. 5483-5496.

КУЗНЕЦОВ Анатолий Всеволодович - ассистент (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

© Кузнецов А.В., 2016 50