Эффективность утепления стен жилых деревянных зданий при их ремонте в условиях Республики Карелия

На территории Республики Карелия реализуется Региональная программа капитального ремонта общего имущества в многоквартирных домах, расположенных на территории Республики Карелия, на 2015—2044 гг. Под региональную программу капитального ремонта в Карелии попали 6993 многоквартирных дома, большинство из которых представляют собой деревянные дома брусчатого или каркасного типа. Первые дома, которые подверглись капитальному ремонту, были именно деревянные. Самым часто ремонтируемым конструктивным элементом являются стены, а точнее — замена обшивки фасада и монтаж утеплителя. Основной проблемой таких домов являются значительные теплопотери через стены и кровлю. В целях экономии применяются дешевые материалы, но они не всегда эффективны, поэтому важно найти золотую середину между ценой и качеством. Применение качественных материалов может повысить стоимость дома и понизить размер коммунальных платежей за отопление.

Целью данного исследования является выявление наиболее эффективного варианта технологий утепления стен деревянных жилых многоквартирных домов при их капитальном ремонте. Для достижения поставленной цели были реализованы следующие задачи:

• — выбран объект исследования, на основании результатов технического обследования оценены его состояние и проектное решение утепления и облицовки фасада, разработаны четыре альтернативных варианта решения по утеплению и облицовке фасада;

— выполнена сравнительная оценка пяти вариантов решений по техническим, технологическим и экономическим показателям, выявлен наиболее рациональный вариант решения.

В качестве объекта исследования был выбран деревянный двухэтажный 12-квартирный жилой дом 1959 года постройки, расположенный в г. Петрозаводске. Срок эксплуатации здания 57 лет, дата последнего капитального ремонта — 1971 г. Здание двухэтажное, двухподъездное, построено по типовому проекту. Здание прямоугольное в плане, габаритные размеры в плане составляют 9,5 × 31,65 м, высота этажа в свету 2,7 м. Общая площадь здания 482,0 м2. Окна главного фасада выходят на северо-запад, а дворового — на юго-восток.

Конструктивная схема здания — с продольными и поперечными несущими брусчатыми стенами. Фундаменты — бутовые, ленточные. Перекрытия — деревянные, по деревянным балкам. Наружные стены брусчатые, из бруса сечением 150 × 150 мм. Снаружи стены обшиты вагонкой по деревянному каркасу. Внутренние перегородки — двойные дощатые. Кровля — вальмовая, четырёхскатная, образованная деревянной стропильной системой с покрытием из шифера. Архитектурный облик фасада до и после капитального ремонта представлен на рисунках 1 и 2 соответственно.

Выбор проектных решений осуществлялся исходя из наличия на региональном рынке облицовочных и теплоизоляционных материалов, а также с учётом санитарно-гигиенических, противопожарных и эстетических требований. Вопросы, касающиеся выбора материалов для проведения капитального ремонта, являются очень актуальными и важными, т. к. различные материалы имеют разные свойства, а также свои преимущества и недостатки. От правильного выбора материала и технологии производства работ зависит и срок дальнейшей эксплуатации здания, безопасность и экономичность проживания в нём.

Рисунок 1. Фасады здания до капитального ремонта

Рисунок 2. Фасады здания после капитального ремонта

В качестве вариантов утепления и облицовки наружных стен рассмотрены следующие варианты:

• 1.    Навесной вентилируемый фасад по деревянной обрешётке с применением утеплителя из стекловаты и облицовки металлическим сайдингом (проектное решение).

• 2.    Навесной вентилируемый фасад по деревянной обрешетке с применением утеплителя из каменной ваты и облицовки вагонкой.

• 3.    Навесной вентилируемый фасад по металлическому каркасу с применением жёстких теплоизоляционных плит и облицовки виниловым сайдингом.

• 4.    Навесной вентилируемый фасад по деревянной обрешётке с применением напыляемого утеплителя «Эковата» и облицовки металлическим сайдингом.

• 5.    Навесной вентилируемый фасад по деревянной обрешётке с применением напыляемого утеплителя «Polinor» и облицовки профилированным листом.

2.    Материалы и методы

Вопросам, связанным с проведением капитального ремонта жилых зданий, в последнее время уделяется повышенное внимание исследователей [1], [3], [4], [9]. По результатам ранее выполненных исследований [5], [6], [7], [8], авторами был сделан вывод о необходимости более детального изучения технологий усиления тепловой защиты зданий типовой застройки при проведении капитального ремонта.

Перед разработкой проектной документации на проведение капитального ремонта здания проектной организацией было выполнено обследование технического состояния здания [11]. При физическом износе деревянных зданий свыше 65 % проведение работ по капитальному ремонту считается нецелесообразным, такие здания признаются аварийными и подлежат сносу. Процент физического износа конструктивных элементов рассчитывается по таблице 3 ВСН 53-86(р) [2]. В ходе обследования объекта не были выявлены дефекты и повреждения, снижающие прочность, устойчивость и жёсткость несущих конструкций здания. Средневзвешенное значение физического износа здания в объёме объекта обследования составляет 40 %. Несмотря на уже вышедший срок эксплуатации здания (более 50 лет), в целом оно находится в удовлетворительном состоянии и характеризуется своей ремонтопригодностью. На основании проведённого технического обследования специалистами был сделан вывод, что текущее техническое состояние здания предусматривает возможность проведения капитального ремонта.

Проектом капитального ремонта [12] здания предусмотрен перечень работ по:

• —    восстановлению целостности растворного заполнения бутовой кладки цоколя, штукатурного слоя цоколя, проведению мероприятий по отводу поверхностных стоков (устройству отмостки);

• —    полной замене конструкций площадок входов (крылец) с устройством новых конструкций козырьков;

• —    замене оконных и дверных блоков в помещениях общедомового имущества;

• —    устройству нового облицовочного покрытия фасадов здания;

• —    полной замене конструкции кровли для обеспечения требований герметичности и однородности, также установка новых стропил между существующими;

• —    полной замене системы электроснабжения;

• —    переносу газового оборудования.

Проектный вариант утепления и облицовки наружных стен предусматривает устройство системы навесного вентилируемого фасада по двойной перекрёстной обрешётке. Обшивка фасада запроектирована металлическим сайдингом типа «Корабельная доска». Крепление металлосайдинга по фасаду производится по деревянной перекрёстной обрешётке при помощи самонарезающих винтов 3,5 × 19 мм. Для устройства обрешётки используется брусок с антисептированной обработкой. Обрешётка выполняется в три слоя:

• —    1-й слой: обрешётка усиления в горизонтальном направлении — обрезной брус сечением 50 × 50 мм с шагом 600 мм;

• —    2-й слой: обрешётка крепления в вертикальном направлении — обрезной брус сечением 50 × 50 мм с шагом 600 мм;

• —    3-й слой: контробрешётка в вертикальном направлении — обрезной брус сечением 50 × 50 мм с шагом 600 мм (крепится по второму слою обрешётки).

Также устройство обрешётки предусмотрено по периметру оконных и дверных проёмов. Обрешётка крепится к фасаду здания при помощи усиленных металлических уголков 50 × 50 × 35 × 2,5 мм. Все элементы крепления должны быть оцинкованными. Вертикальный слой обрешётки крепится непосредственно к стене при помощи самонарезающих винтов 3,8 × 90 мм, а горизонтальный слой — на вертикальную обрешётку.

Для сокращения теплопотерь здания принят теплоизоляционный материал из минеральной ваты на основе кварца «Ursa. Универсальная плита» размерами 50 × 600 × 1000 мм в два слоя с коэффициентом теплопроводности 0,044 Вт/м К и плотностью 16 кг/м³. Из-за невысокой плотности материала утеплитель крепится к существующей стене тарельчатыми дюбелями 10 × 160 мм через два слоя. Плиты первого слоя укладываются с первым слоем обрешётки, плиты второго слоя — со вторым слоем обрешётки. Для защиты утеплителя устраивается ветро-влагозащитный слой из мембранной плёнки «Изостронг АМ», который укладывается по второму слою утепления под контробрешётку крепления облицовки (рисунок 3, таблица 1).

Контробрешётка выполняется из бруска сечением 50 × 50 мм, что создаёт основу для крепления облицовочного материала и обеспечит воздушную прослойку 50 мм между утеплителем и обшивкой. Для крепления контробрешётки к горизонтальным брускам применяются самонарезающие винты 4,2 × 75 мм.

Перед облицовкой необходимо произвести демонтаж обшивки наружных стен и деревянного отлива по периметру здания. При ремонте фасадов здания необходимо выполнить демонтаж и устройство новых деревянных крылец. Также предусмотрено устройство входных площадок и деревянных козырьков входа. Козырьки над входами выполняются по деревянному каркасу с покрытием профилированным листом НС-44.

Сайдин металлический типа "Корабельная доска" - 14 мм Контробрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 600 мм Ветроблогозащитная мембрана Изоспан АМ Обрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 640 мм, минералобатний утеплитель URSA - 50 мм ___________ Обрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 640 мм, минералобатний утеплитель URSA - 50 мм ___________ Существующая стена

Рисунок 3. Навесная вентилируемая система с утеплителем из стекловаты и облицовкой металлосайдингом (проектное решение) [12]

Таблица 1. Параметры слоёв конструкции навесного вентилируемого фасада с применением утеплителя из стекловаты и облицовкой металлосайдингом (проектное решение)

Наименование слоя	Расчётный коэффициент теплопроводности материалов, Л (Вт/(м2^°О)	Толщина слоя, t (мм)	Масса конструкции НВФ на 1 м2 стены, m (кг)
Существующая стена (брус)	0,18	150	—
Утеплитель «Ursa» плотностью 16 кг/м³	0,044	100	1,44
Вентилируемый воздушный зазор (обрешётка + ветро-влагозащитная мембрана)	—	50	7,59
Металлический сайдинг	—	14	3,83
I		314	12,86

В настоящее время активно разрабатываются и выпускаются новые материалы и технологии утепления ограждающих конструкций. В жилых зданиях, которые попадают под программу капитального ремонта в текущий момент, использованы материалы, которые применялись более 50 лет назад. Капитальный ремонт является хорошей возможностью продлить срок эксплуатации ремонтируемых зданий, не только за счёт повышения степени теплозащиты, но и применения современных материалов. Навесной вентилируемый фасад даст возможность конструкции стены «дышать». Воздушная прослойка обеспечивает движение воздушных масс, что позволяет конструкции проветриваться, а это является важным фактором для домов из бруса.

Для настоящего исследования были разработаны четыре альтернативных варианта конструкции утепления и облицовки брусчатых стен. Для получения более точной экономической оценки, связанной с подбором утеплителя, во всех вариантах принимаются следующие конструктивные решения, не влияющие на сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции:

— оштукатуривание цоколя;

— применение ветро-влагозащитной мембраны марки «Изоспан АМ»;

— применение единообразных метизов;

— идентичная конструкция козырьков над входами.

Во втором варианте изменены только два элемента навесного вентилируемого фасада — это утеплитель и материал облицовки. Конструкция представляет собой навесной вентилируемый фасад на двойной перекрёстной обрешётке аналогично проектному решению. В два слоя обрешётки закладывается утеплитель на основе каменной ваты «Isover. Тёплый дом, плита» размерами 50 × 610 × 1000 мм с коэффициентом теплопроводности 0,038 Вт/м К и плотностью 35 кг/м³. Толщина утеплителя подбиралась исходя из сортамента данного теплоизоляционного материал, представленного на рынке. Утеплитель выигрывает по теплотехническим характеристикам относительно проектного варианта, хотя его стоимость выше предыдущего. Крепление плит к стене не требуется (рисунок 4, таблица 2).

Выбор облицовочного материала основывался на том, что утеплитель негорючий. Данное обстоятельство даёт возможность использовать разнообразные материалы для облицовки фасада. Для придания эстетического вида дому, более исторически ему соответствующего, облицовочным материалом принята евровагонка. Для защиты материала облицовки от атмосферных осадков необходима окраска фасада.

Вагонка - 12,5 мм ____ ___

Контробрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 600 мм Ветроблсгозащитная мембрана Изоспан АМ Обрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 650 мм, минерало&атньй утеплитель ISOVER - 50 мм Обрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 650 мм. минералобатный утеплитель ISOVER - 50 мм Существующая стена

Рисунок 4. Навесная вентилируемая система с утеплителем из каменной ваты и облицовкой вагонкой

В третьем варианте навесной вентилируемый фасад устраивается на металлическом каркасе, что позволит облегчить вес конструкции и применить более плотные теплоизолирующие материалы на основе каменной ваты. Основой металлического каркаса являются металлические кронштейны КРУ-2р с размерами 150 × 80 мм. Металлические кронштейны крепятся к стене через паронитовые прокладки при помощи самонарезающих винтов 3,8 × 75 мм.

Таблица 2. Параметры слоёв конструкции навесного вентилируемого фасада с применением утеплителя из каменной ваты и облицовки вагонкой

Наименование слоя	Расчётный коэффициент теплопроводности материалов, Л (Вт/(м2 •°C))	Толщина слоя, t (мм)	Масса конструкции НВФ на 1 м2 стены, m (кг)
Существующая стена (брус)	0,18	150	—
Утеплитель «Isover. Тёплый дом, плита» плотностью 35 кг/м³	0,038	100	3,15
Вентилируемый воздушный зазор (обрешётка + ветро-влагозащитная мембрана)	—	50	7,59
Вагонка	—	12,5	6
z		312,5	16,74

В данном варианте применяется утеплитель на основе жёстких теплоизоляционных плит «Rockwool. Венти Баттс» размерами 100 × 600 × 1200 мм в один слой с коэффициентом теплопроводности 0,040 Вт/м К и плотностью 90 кг/м³. Толщина утеплителя также подбиралась исходя из сортамента предложенных вариантов на рынке. Утеплитель крепится к существующей стене тарельчатыми дюбелями 10 × 160 мм. Использование данного утеплителя позволяет отказаться от устройства ветро-влагозащитной мембраны, в связи с высокой плотностью минераловатных изделий (рисунок 5, таблица 3).

Для создания вентилируемого зазора величиной 50 мм устанавливаются направляющие из Г-образного профиля сечением 50 × 20 × 12 мм. Направляющие крепятся к кронштейнам при помощи самонарезающих винтов 3,5 × 19 мм. Материал облицовки также принят из достаточного лёгкого материала — винилового сайдинга. Сайдинг крепится к направляющим с помощью самонарезающих винтов 3,5 × 19 мм.

В четвёртом варианте предусматривается только два слоя обрешётки, что позволяет частично сократить объём применяемых материалов и трудоёмкость выполнения работ. Для сокращения тепловых потерь для данного варианта применён достаточно редко используемый метод утепления — использование напыляемого утеплителя «Эковата». Эковата — теплоизоляционный, экологически чистый материал, состоящий из обработанной целлюлозы. Утеплитель наносится на поверхности любого уклона при помощи специального выдувного оборудования. В результате напыления получается бесшовное покрытие, что исключает появление мостиков холода и создаёт сплошную поверхность без пустот. В рассматриваемом варианте предусматривается влажный метод напыления (рисунок 6, таблица 4).

Рисунок 5. Навесная вентилируемая система с жёсткими теплоизоляционными плитами и облицовкой виниловым сайдингом

Таблица 3. Параметры слоёв конструкции навесного вентилируемого фасада с жёсткими теплоизоляционными плитами и облицовкой виниловым сайдингом

Наименование слоя	Расчётный коэффициент теплопроводности материалов, Л (Вт/(м2^°О)	Толщина слоя, t (мм)	Масса конструкции НВФ на 1 м2 стены, m (кг)
Существующая стена (брус)	0,18	150	—
Утеплитель «Rockwool. Венти Баттс» плотностью 90 кг/м³	0,040	100	8,1
Вентилируемый воздушный зазор (металлопрофиль)	—	50	3
Виниловый сайдинг	—	14	1,89
I		314	12,99

Для удобства нанесения утеплителя и контроля его толщины устраивается горизонтальная обрешётка, которая крепится непосредственно к стене при помощи усиленных металлических уголков 50 × 50 × 35 × 2,5 и самонарезающих винтов 3,5 × 41 мм. Толщина утеплителя подбиралась кратно 10 мм для удобства регулирования слоя деревянными направляющими брусками сечением 50 × 80 мм. Толщина слоя эковаты 80 мм, коэффициент теплопроводности 0,034 Вт/м К, плотность 65 кг/м³.

Второй слой обрешётки необходим для создания вентилируемого зазора. Вертикальный слой контробрешётки крепится к горизонтальному с помощью самонарезающих винтов 4,2 × 75 мм. Для защиты материала утеплителя необходима ветро-влагозащитная мембрана «Изостронг АМ», которая крепится непосредственно к обрешётке утеплителя.

Облицовочный материал подбирался с учётом степени огнестойкости утеплителя. В связи с тем, что утеплитель имеет достаточно высокую степень горючести, материал облицовки должен быть негорючим. Поэтому в качестве облицовочного материала принят металлический сайдинг, который крепится к контробрешётке при помощи самонарезающих винтов 3,5 × 19 мм.

Байдин металлический типа Корабельная доска - 14 мм Контробрешетка из бруска 50хэ0 мм, шаг 600 мм " Ветроблаеозащитная мембрана Изоспсн АМ

Обрешетка из бруска 80x50 мм, шаг 1000 мм, наполяеммй утеплитель Экобата - 80 мм _____________

Существующая стенд                                   '

Рисунок 6. Навесная вентилируемая система с применением напыляемого утеплителя «Эковата» и облицовки металлосайдингом

Таблица 4. Параметры слоёв конструкции навесного вентилируемого фасада с применением напыляемого утеплителя «Эковата» и облицовки металлосайдингом

Наименование слоя	Расчётный коэффициент теплопроводности материалов, Л (Вт/(м2^°О)	Толщина слоя, t (мм)	Масса конструкции НВФ на 1 м2 стены, m (кг)
Существующая стена (брус)	0,18	150	—
Утеплитель «Эковата» плотностью 65 кг/м³	0,034	80	4,68
Вентилируемый воздушный зазор (обрешётка + ветро-влагозащитная мембрана)	—	50	6,5
Металлический сайдинг	—	14	3,83
Z		294	15,01

В пятом варианте также предусматривается только два слоя обрешетки. В качестве теплоизолирующего слоя применяется достаточно новый материал — напыляемый утеплитель «Polinor». Это пенополиуретановый однокомпонентный утеплитель с мелкозернистой структурой. Напыляется на любые поверхности при помощи специального пистолета и насадки, образует сплошную и прочную поверхность (рисунок 7, таблица 5).

Для удобства нанесения утеплителя и контроля его толщины устраивается горизонтальная обрешётка, которая крепится непосредственно к стене при помощи усиленных металлических уголков 50 × 50 × 35 × 2,5 мм и самонарезающих винтов 3,5 × 41 мм. Толщина утеплителя также назначалась исходя из кратности 10 мм для удобства нанесения слоя. Контроль толщины слоя производится деревянными направляющими брусками сечением 60 × 50 мм. Толщина слоя утеплителя 60 мм с коэффициентом теплопроводности 0,025 Вт/м К и плотностью 28 кг/м³. Основным отличием от эковаты является то, что данный утеплитель реализуется в баллонах и не требует дополнительного оборудования, кроме специального пистолета.

Применение напыляемого утеплителя позволяет отказаться от устройства ветровлагозащитной мембраны, в связи с его структурой и составом. Второй слой обрешётки необходим для создания вентилируемого зазора величиной 50 мм между утеплителем и облицовочным материалом. Вертикальные бруски контробрешётки сечением 50 × 50 мм крепятся к горизонтальной обрешётке с помощью самонарезающих винтов 4,2 × 75 мм.

Облицовочный материал также подбирался в соответствии с группой горючести утеплителя. Материал утепления горючий, следовательно, принят альтернативный вариант металлической облицовки — профилированный лист С-10.

Метолдопрофиль С-10 - 10 мм

Комтробрешетка из бруска 50x50 мм, шаг 600 мм Обрешетка из бруска 60x50 мм. шаг 1000 мм, ндпиляемаа утеплитель Polinor - 60 мм ________ Сущестбующоя стенд

Рисунок 7. Навесная вентилируемая система с применением напыляемого утеплителя «Polinor» и облицовки профилированным листом

Разработка ограждающих конструкций выполнена в соответствии с требованиями к тепловой защите зданий для обеспечения комфортного микроклимата в помещениях при минимальном расходе тепловой энергии на отопление здания и в соответствии с СП 50.133302014 [13].

Таблица 5. Параметры слоёв контрукции навесного вентилируемого фасада с применением напыляемого утеплителя «Polinor» и облицовки профилированным листом

Наименование, плотность	Расчётный коэффициент теплопроводности материалов, Л (Вт/(м2^°О)	Толщина слоя, t (мм)	Масса конструкции НВФ на 1 м2 стены, m (кг)
Существующая стена (брус)	0,18	150	—
Утеплитель «Polinor», 28 кг/м³	0,025	60	1,52
Вентилируемый воздушный зазор	—	50	5,5
Профилированный лист	—	10	3,83
z		270	10,85

Исходные данные для расчёта ограждающих конструкций в соответствии с СП 50.133302014:

Район строительства — г. Петрозаводск.

Вид ограждающей конструкции — стены.

t н = –28 ⁰С — расчётная температура наружного воздуха в холодный период года, принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92.

t в = 20 ⁰С — расчётная средняя температура внутреннего воздуха здания, принимаемая по меньшим показателям приемлемой температуры.

t от = –3,2 ⁰С — средняя температура наружного воздуха отопительного периода, принимаемая для периода со средней температурой наружного воздуха не более 10 ⁰С.

z = 235 сут. — продолжительность отопительного периода, принимаемая для периода со средней температурой наружного воздуха не более 10 ⁰С.

Режим помещения — нормальный.

Условия эксплуатации ограждающих конструкций — Б.

При теплотехническом расчёте ограждающих конструкций необходимо, чтобы сопротивление теплопередаче R 0 было не меньше величины, определяемой строительными и санитарно-гигиеническими требованиями R тр .

Градусо-сутки отопительного периода: ГСОП = 5452 0С·сут./год.

Требуемое сопротивление теплопередаче наружной стены для рассматриваемых условий: R тр = 3,31 ⁰С/Вт.

Результаты теплотехнического расчёта для пяти вариантов представлены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты теплотехнического расчёта

Расчётные показатели конструкции	Варианты конструкций стен
	1	2	3	4	5
Сопротивление конструкции теплопередаче, °С/Вт	3,31	3,67	3,54	3,39	3,54