Конструкционно-теплоизоляционная стеновая панель с использованием пеностекольного утеплителя

В настоящее время большую часть из общего объема потребляемых в строительстве теплоизоляционных материалов занимают минерало- и стекловатные утеплители, пенополистирол и другие пенопласты. Доля использования пеностекла, вкупе со вспученными перлитом и вермикулитом, а также с учетом пенокерамики, составляет 2-3%. Однако потенциал пеностекла настолько велик, что при грамотном и комплексном подходе к вопросам технологии, менеджмента и инвестирования данный теплоизоляционный материал способен со временем вытеснить традиционно используемые и не безопасные горючие теплоизоляционные материалы.

В связи с вышеуказанным весьма показательной является статья [1], в которой дано объяснение, почему за всю постсоветскую историю было реально создано и функционировало единственное производство пеностеклянных материалов на базе ЗАО «Пеноситал» (г. Пермь) и почему технологию производства пеностекла нельзя освоить без серьезного научно-технического сопровождения.

Нельзя не согласиться с мнением авторов вышеупомянутой статьи относительно основных положений при осуществлении наукоемкого производства пеностекла. Это, « во-первых , наличие команды из специалистов различного профиля (как в прикладной науке и технологии, так и в финансах и маркетинге); во-вторых , технология пеностекла должна быть глубоко проработана с пониманием процесса от молекулярного уровня до аппаратного и, в-третьих , финансирование проекта должно быть на достаточно высоком уровне и при четком графике финансирования».

Здесь речь идет о том, что использование пеностекла в малоэтажном строительстве можно рассматривать как одну из рациональных областей его применения и как одно из направлений при внедрении результатов научных исследований в области пеностекла, полученных учеными ВСГУТУ. Этому благоприятствует ряд факторов: признание развития малоэтажного строительства в Республике Бурятия задачей государственного масштаба; запланированная в рамках подпрограммы «Развитие стройиндустрии и промышленности строительных материалов» РЦП «Жилище» на 2011-2015 гг. организация производства ориентированно-стружечных плит (OSB – Oriented Strand Board), а также наличие научнотехнического потенциала университета, способного решать задачи в области создания производств пеностекла и конструкционно-теплоизоляционных панелей с пеностекольным утеплителем.

Исходя из объемов сдачи малоэтажного жилья согласно РЦП «Жилище» на 2011– 2015 гг. и с учетом сегмента рынка жилья, принадлежащего малоэтажному строительству с использованием конструкционно-теплоизоляционных панелей, было установлено, что годовая мощность предприятия по выпуску быстровозводимых домов по канадской технологии с использованием OSB и пеностекол составит около 50 тыс. м2 в год.

Основная цель работы заключалась в теплотехническом расчете толщины стеновой сэндвич-панели из OSB и пеностекол, а затем оценке стоимости 1 м2 малоэтажного дома с применением указанных сэндвич-панелей. В качестве модельной была принята конструкция одноэтажного дома с бесчердачной мансардой, размер плана которого 10,8х10,8 м (рис.).

Рис. Малоэтажный дом с бесчердачной мансардой: а – общий вид дома;

б – фрагмент стены из ОСП и пеностекла

Порядок теплотехнического расчета приведен в ряде нормативных документов [2–4]. Исходные данные: место строительства – г. Улан-Удэ; расчетные параметры внутреннего воздуха приняты равными: t = 20 °С, w = 55 %, а наружного воздуха: t ht = -10,6 °С, Z ht = 235; зона влажности района строительства – сухая; влажностный режим помещения – нормальный; условия эксплуатации ограждающих конструкций – категория А [2, 4]. Градусо-сутки отопительного периода ( Dd ):

Dd = (t int - t nt ) Z nt ,                                                (1)

где t int - расчетная температура внутреннего воздуха, ° С, принимаемая согласно нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений;

t nt - средняя температура, °С периода со средней суточной температурой воздуха < 8°С;

Z nt - продолжительность отопительного периода, сут [4].

При подстановке исходных данных: Dd = (20- (-10,6)) • 235 = 7191 °С-суг.

Нормируемое сопротивление теплопередаче ограждения R req :

R req = а D d + b ,                                            (2)

где а, b - коэффициенты, которые приняты по данным таблицы 4 [3]: а = 0,00035, b = 1,4:

R req = 0,00035 • 7191 + 1,4 = 3,9169 м² -° С/Вт.

Известно [4], что если удельный расход тепловой энергии на отопление здания окажется меньше нормируемого значения благодаря эффективному использованию подводимой тепловой энергии, то допускается уменьшение сопротивления теплопередаче R req отдельных элементов ограждающих конструкций здания по сравнению с нормируемым, но не ниже минимальных величин R min , определяемых для стен жилых зданий по формуле (3):

^R reg min R req • 0,63,

откуда R reg min = 3,9169-0,63 = 2,46 м² -° С/Вт.

Общее сопротивление теплопередаче конструкции R ₀ с учетом коэффициента теплотехнической однородности r [4, 5] :

^R 0 R req min ^- r ,                                                     ⁽⁴⁾

^{R 0 R} req min • r ( _L + R 1 + R ₂ + R ₃ + _L ) • r = ( ^a B                      a ’H

откуда Х = ( Rreg m™__1 51 - 5___L r      aB    X1 X3 aH

) • X = ( ' '   ^{2 V} 0,85

1 5, 52 ---+--L +--- a B Л , X 2	53        1 х + "Г +  )- г ’ X 3 a Н
1    0,012 8,7    0,15	0,012    1 3 •---) • 0,07 = 0,18 м 0,15    23

Толщину теплоизоляционного слоя 5 2 принимаем равной 0,2 м.

Результаты расчетов термических сопротивлений теплоизоляционного слоя и слоев ОСП и общее сопротивление стены представлены в таблице 1.

Таблица 1

Теплотехнические показатели стеновой панели

№ п/п	Наименование материала слоя	Толщина слоя 6 , , м	Плотность Y i , кг/м3	Коэффициент теплопроводности, 1 , , Вт/м*°С	Сопротивления R , и R о , м2-°С/Вт
Внутренний пограничный слой воздуха 1/ав					0,115
1	ОСП-3	0,012	660	0,15	0,08
2	Пеностекло	0,2	200	0,07	2,85
3	ОСП-3	0,012	660	0,15	0,08
Наружный пограничный слой воздуха 1/ан					0,043
Общее сопротивление		0,224			3,168

Таким образом, условие R req _min = 2,46 м² -° С/Вт <  R ₀ = 3,168 м² -° С/Вт выполняется. Согласно расчету, выполненному для зимних условий эксплуатации г. Улан-Удэ, при уменьшении сопротивления теплопередаче R req элементов ограждающих конструкций (стен) здания до R req _min = R req -0,65 и с учетом коэффициента теплотехнической однородности r толщина теплоизоляционного слоя из пеностекла в целом уменьшилась на 5 см по сравнению с ранее рассчитанной в работе [6].

Окончательно толщину теплоизоляционного слоя из пеностекла принимаем равной 0,2 м, а суммарную толщину наружной стены из конструкционно-теплоизоляционной панели - 0,224 м.

Нормируемое сопротивление теплопередаче R req , рассчитанное для конструкции слоев пола и совмещенного покрытия здания жилого дома с бесчердачной мансардой покрытия крыши здания с учетом понижающего коэффициента 0,8 (п.5.13 [4]), составило: R _{reg min} = R req - 0,8 = 4,92 -0,8 = 3,936 м² -° С/Вт.

Из-за понижения значения R req и с учетом коэффициента теплотехнической однородности ( r =0,85) толщина слоя из пенополистирола экструдированного, использованного в конструкциях покрытия и пола, уменьшилась на 2 см по сравнению с ранее рассчитанной в работе [6].

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Теплотехнические показатели покрытия крыши и пола

№ п/п	Наименование материала слоя	Толщина слоя, 8 , , м	Плотность, Y i , кг/м3	Коэффициент теплопроводности, 1 , , Вт/м*°С	Сопротивления R , и R о , м ' ; С Вт
Внутренний пограничный слой воздуха 1/ав					0,115
1	ОСП-3	0,012	660	0,15	0,08
2	Пенополистирол экструдированный	0,18	40	0,041	4,39
3	ОСП-3	0,012	660	0,15	0,08
Наружный пограничный слой воздуха 1/ан					0,043
Общее сопротивление		0,204			4,708

Общее сопротивление теплопередаче панелей покрытия и пола R ₀ при утеплении покрытия и пола здания с использованием панелей из ОСП и пенополистирола толщиной 5₂ = 180 мм (Х₂ = 0,041 Вт/м^°С) согласно расчету составило R ₀ = 4,708 Вт/м^оС.

Как видим, условие R req min <  R ₀ выполняется (3,936 м² -° С/Вт < 4,708 Вт/м^оС).

Далее на основании теплотехнических расчетов теплового контура малоэтажного здания проведен расчет технико-экономических показателей производства сэндвич-панелей из ОСП-3 и пеностекла (табл. 3) и зданий быстровозводимых жилых домов (при мощности 50 тыс. м2 в год) из этих же сэндвич-панелей (табл. 4).

Таблица 3

Технико-экономические показатели производства сэндвич-панелей из ОСП-3 и пеностекла

Показатели	Единица измерения	Сумма
Годовой объем производства	м2	36500
Товарная продукция без НДС	руб.	190094233,81
Чистая прибыль	руб.	13825035,19
Себестоимость единицы продукции	руб.	4735
Численность работников	чел.	14
Срок окупаемости	лет	2,5
Цена 1 м2 панели без НДС	руб.	5208,06
Цена 1 м2 панели с НДС	руб.	6145,51

Таким образом, учет в настоящей работе понижающего коэффициента при определении величины сопротивления теплопередаче R req и коэффициента теплотехнической однородности r позволил более точно оценить стоимость 1 м² малоэтажного дома с применением предложенной конструкции стеновой сэндвич-панели. Так, заводская стоимость конструкционно-теплоизоляционной сэндвич-панели из ОСП-3 и пеностекла понизилась на 764,86 руб. за 1 м² конструкции стены (на 11 %) и составила 6145,51 руб./ м². В пересчете на всю годовую программу выпуска сэндвич-панелей экономический эффект составит 27917 тыс. руб. Стоимость же здания с использованием стеновых сэндвич-панелей понизится на 1088,73 руб. за 1 м². Годовой экономический эффект при строительстве домов составит 54436,5 тыс. руб. (сумма указана в ценах 2012 г., без учета стоимости инженерных коммуникаций).

От уточнения теплотехнического расчета теплоизоляции уменьшились также сроки окупаемости проекта: от двух до одного года в случае промышленного производства стеновых панелей и от 2,5 года до 2 лет в случае производства малоэтажных домов.

Таблица 4

Технико-экономические показатели производства малоэтажных домов

Показатели	Единица измерения	Сумма
Годовой объем производства	м2	50 000
Товарная продукция без НДС	руб.	557874564,60
Чистая прибыль	руб.	40572695,61
Себестоимость единицы продукции	руб.	9056
Численность работников	чел.	7
Срок окупаемости	лет	2
Цена 1 м2 здания без НДС	руб.	11157,49
Цена 1 м2 здания с НДС	руб.	13165,84

С учетом стоимости инженерных коммуникаций и работ по обустройству всех трубопроводов малоэтажного дома (систем отопления, канализации и водопровода) и отделки итоговые затраты по строительству дома, показанного на рисунке, могут увеличиться в 1,5 раза по сравнению со стоимостью возведения самого дома. Тогда итоговая сумма расходов на 1 м2 жилья составит: 13165,84 ∙ 1,5 = 19 748 руб. Полторы-две тысячи составляет норма прибыли компании-застройщика. То есть цифра в 20-22 тыс. руб. за 1 м2 абсолютно реальна. Для сравнения: в России есть регионы, в которых цифры могут достичь 20–28 тыс. руб. за 1 м2 малоэтажного жилья, а в Московской, Ленинградской областях – минимально 44 тыс. руб. за 1 м2.

Технология быстровозводимых домов малой этажности с применением панелей из ОСП и пеностекла в конструкции стен может способствовать решению проблемы дефицита доступного и комфортного жилья в Бурятии ввиду того, что данная технология признана одной из лучших по совокупности современных требований, предъявляемых к жилым домам. Проблема состоит в том, чтобы организовать в республике промышленное производство ориентированно-стружечных панелей, пеностекол и конструкционно-теплоизоляционных сэндвич-панелей из них и определиться с компанией-застройщиком. В связи с этим представляется целесообразным создание строительного кластера, который, представляя собой отраслевое, территориальное и добровольное объединение предпринимательских структур (поставщиков сырья, в том числе организации-заготовителя стеклобоя, производителей строительной продукции, компании-застройщика), тесно сотрудничает с научными (образовательными) учреждениями, общественными организациями и органами местной власти для повышения конкурентоспособности производимой продукции, работ или услуг, тем самым содействуя в итоге решению вопроса доступного и комфортного жилья. В этот кластер должны также входить организации смежных, взаимодополняющих отраслей и структуры, которые играют важную роль в создании конкурентной среды: университет и исследовательские учреждения, организации, осуществляющие подготовку кадров, отвечают за информационное и техническое обеспечение, торговые ассоциации и т.д.

В силу того, что производство пеностекла относится к наукоемким и высокотехнологичным производствам и его по определению нельзя производить в полукустарных условиях, именно кластер, объединяя независимые и неформально связанные компании и учреждения, будет представлять собой организационную форму, которая получает значительное количество преимуществ за счет высокой эффективности, производительности и гибкости в процессе организации предпринимательской деятельности. Пеностекольный проект будет тогда иметь успех, когда жизненный цикл продукции, начиная от минерально-сырьевой базы до конечного продукта, в данном случае малоэтажных домов с использованием пеностекольного утеплителя, будет иметь высокий уровень научного, финансового и организационного сопровождения.