Тепловые отказы как характеристики надежности ограждающих конструкций

В статье приведены определения тепловых отказов как характеристик ограждающих конструкций , их классификация и структура распределения по классам, на основании экспериментальных исследований сделано обобщение путей их возникновения.

Отказ, как характеристика надежности, это явление, которое возникает при потере объектом способности выполнять предназначенную функцию - при нарушении трудоспособного состояния объекта. Для дома явление отказа рассматривается как состояние, когда не обеспечивается исполнение заданного - нормированного или комфортного, тепловлажностного режима в помещениях.

Для ограждающих конструкций состояние теплового отказа устанавливается при наличии хотя бы одного из следующих параметров:

превышение значений перепада температур между приведенной температурой внутренней поверхности конструкций и температурой воздуха допустимых по санитарно-гигиеническим требованиям;
понижение локальных значений температур внутренней поверхности к температуре конденсации пара воздуха;
появление на внутренней поверхности конструкции или под ее отделочными слоями плесени, грибковых образований.

По своей физической сути тепловой отказ конструкции, теплоизоляционной оболочки или дома в целом относится к частичным отказам, потере способности выполнять часть своих функций. При возникновении теплового отказа теплоизоляционной оболочки дом не теряет своих характеристик общей надежности - защиты человека от внешней среды и т.д. Но при этом не выполняются перечисленные выше критерии эксплуатационной пригодности дома.

Понятие теплового отказа непосредственно связано с понятием граничного состояния конструкции, под которым в данном случае следует рассматривать такое состояние теплоизоляционной оболочки дома или объекта исследований, при котором дальнейшая его эксплуатация связана с нарушением нормальных условий жизнедеятельности человека, повышенными расходами, а также сокращением долговечности конструкций.

Определение и систематизация понятия теплового отказа основывается на масштабных исследованиях теплового состояния ограждающих конструкций домов. Исследования проводились на жилых, общественных и промышленных строениях разной этажности и серий. Тепловая изоляция ограждающих конструкций этих домов проектировалась как за нормами бывшего СССР, так и за усовершенствованными нормами Украины после их введения в 1996 г.

Результаты исследований. Дома застройки 1960 - 1995 гг.

Для крупнопанельных домов, занимающих весомую нишу в существующем жилом фонде Украины и требующих массовой реконструкции, причиной возникновения состояния тепловых отказов являются следующие конструктивно-технологические недостатки:

недостаточная герметизация стыковых соединений панелей при монтаже дома. Это обуславливает высокую инфильтрацию внешнего воздуха внутрь строения, из-за чего понижаются температуры внутренней поверхности стен, создаются недопустимые тепловые условия, при которых возможно появление конденсата и возникновение плесени; особенно часто это наблюдается в зонах угловых соединений панелей (рис. 1);
использование панелей с технологичными дефектами. По результатам натурных исследований крупнопанельных домов было зафиксировано, что плотность возникновения тепловых отказов самая большая в помещениях первого и последнего этажей домов. В стенах последнего этажа причиной возникновения отказов были в основном технологические отклонения при изготовлении панелей. В процессе монтажа домов всегда встречались дефектные панели с трещинами, несоответственным весом и т.п., теплотехнические показатели которых были низкими уже в начальный момент. Вместо их возвращения, что приводило к замедлению сроков и увеличивало себестоимость дома (а монтаж производился, как правило, домостроительным комбинатом, то есть производителем панелей) такие дефектные панели монтировали на верхнем этаже, где несущие нагрузки и риск разрушения самого строения существенно ниже;
конструктивное несовершенство инженерных систем домов. На первых и последних этажах (в зависимости от этажности домов) причина тепловых отказов состоит в несовершенстве систем отопления домов первых массовых серий - отсутствие поэтажного разведения труб отопления обуславливает существенное расхождение параметров микроклимата по высоте дома;
необоснованные технические решения по термореконструкции теплоизоляционной оболочки домов. Повышение показателей теплоизоляции дома требует значительных средств, поэтому в экономических условиях нашей страны очень распространенной является частичная реконструкция - в отдельно взятой квартире (рис. 2) или в комнате путем:
- замены старых окон в деревянном переплете на современные из ПВХ с стеклопакетами, в алюминиевом или деревянном обрамлении. При неправильном, в тепловом отношении, выборе окон такая замена ухудшает тепловлажностный режим помещений. Поскольку большинство населения преимущественно выбирает дешевые окна с однокамерными стеклопакетами из стандартного стекла, сопротивление теплопередачи которых не выше, чем у старых деревянных окон, но воздухопроницаемость намного ниже (в 5-15 раз). Это, при неизменной системе вентиляции (приточно-вытяжной с притоком через оконные элементы), существенно ухудшает воздухообменный и влажностный режим помещений. В результате тепловые отказы (рис. 3) появляются уже в первый год после такой реконструкции и с большей интенсивностью, чем до замены окон;
- герметизации внешней поверхности стен (рис. 4) в зоне квартир, где влажность повышена (по логике: если стена влажная, то причиной этого являются протечки от атмосферных осадков и гидроизоляцию следует наносить на внешнюю поверхность
  стены). В результате, влажность, образующаяся на поверхности и в толще стены в жидком состоянии, консервируется с дальнейшим ее накоплением;

[1]

Рис. 1. Образование плесени в угловых зонах жилых квартир

Рис. 2. Частичная термореконструкция старых домов

Рис. 3. Тепловой отказ (образование плесени) после замены деревянного окна на ПВХ

утепление стен со стороны помещения. В результате плесень выступает по всей поверхности этой "системы утепления" уже в следующем отопительном сезоне (рис. 5).

Дома застройки 1996 - 2006 гг.

В 1996 г. было нормативно повышено требования по показателю сопротивления теплопередачи, а нормы оценки влажностного режима [2] методически остались без изменений. Поэтому в домах, которые спроектированы и возведены в течение последнего десятилетия, в результате несовершенства проектных решений возникают негативные явления относительно тепловлажностного состояния внешних стен.

Рис. 4. Герметизация внешней поверхности стены гидроизоляционными паронепроникающими материалами

Для домов с современными архитектурными решениями фасадов с применением современных светопрозрачных конструкций [3] особенное значение имеет проектная проработка конструктивных решений теплового состояния узлов соединений конструкций между собой. При невыполнении этого этапа возникает вероятность возникновения состояний тепловых отказов (рис. 6).

Классификация тепловых отказов изоляционной оболочки домов

На основании анализа результатов исследований установлено следующие четыре типа отказов теплового режима ограждающих конструкций домов и причины их возникновения:

проектные (конструктивные) отказы, являющиеся следствием несовершенства или нарушения норм проектирования, что приводит к необоснованному выбору уровня теплоизоляции элементов теплоизоляционной оболочки, пренебрежения анализа конструктивных особенностей ограждений и, как следствие, появление конденсата на их внутренней поверхности или накопление влаги в их толще в холодный период года, недостаточного учета факторов, влияющих на эксплуатационные свойства конструкций или неправильный выбор расчетных параметров материалов ограждения;
технологические (производственные) отказы, вызванные несовершенством изготовления и монтажа конструкций и, как следствие, влияние случайных факторов (отклонение от проектной плотности теплоизоляционного слоя, нарушение проектных решений герметизации стыковых соединений панелей, элементов и т.д.) на эксплуатационные качества теплоизоляционной оболочки в целом;
эксплуатационные (отказы из-за неправильного поведения), вызванные понижением мощности работы систем отопления и вентиляции, случайные намокания конструкций и т.д;
концептуальные (системные) отказы, которые однозначно связаны с несовершенством нормативной базы, устанавливающей неадекватные для современных конструкций нормативные расчеты тепловых показателей и недостаточно четко регламентирующей правила и параметры их оценки, выполнение проектирования без установления требований тепловой надежности к основным элементам, формирующим тепловлажностный режим, и которые возможно устранить только после реформирования нормативной базы [4] проектирования конструкций теплоизоляции домов.

Рис. 5. Тепловой отказ вследствие внутреннего утепления стены

[5]

Рис. 6. Тепловой отказ современного дома за счет неправильного
проектного решения светопрозрачной части

Статистические данные результатов исследований возникновения четырех типов тепловых отказов в домах, спроектированных по советским нормам до 1996 г. и по отечественным нормам после 1996 г. приведено на рис. 7.

Рис. 7. Структура раздела возникновения тепловых отказов по их типам в домах
постройки 1960-1996 гг. (слева) и после 1996 г. (справа)

В современных домах увеличился удельный вес отказов 1-го типа, что обусловлено следующим. До 1996 г. внешние стены жилых и общественных строений в основном были однослойными, термически однородными, и методика оценки теплотехнических показателей при их проектировании была простой. Кроме того, проектирование осуществлялось на основании типовых решений, которые проходили детальную теоретическую и экспериментальную проверку, и поэтому при использовании более сложных в теплофизическом отношении трехслойных стеновых панелей количество ошибок при проектировании было невелико. Введение повышенных нормативных требований к уровню теплоизоляции внешних ограждений жилых и общественных строений привело к кардинальной смене их конструктивных решений. Современные конструкции являются многослойными, теплопроводность материалов слоев отличается в несколько раз, что обуславливает необходимость применения более сложных методических положений при проведении оценки теплотехнических показателей конструкции.

Кроме того, принципиально изменился архитектурный вид жилых и общественных домов, фасады выполняются с использованием современных конструктивных систем, значительно повысился коэффициент остекления фасадов. В одном доме могут применяться разные конструкции фасадной теплоизоляции. На смену типовому проектированию пришло индивидуальное, но при этом необходимая проверка не осуществляется, что приводит к возникновению состояний тепловых отказов, несмотря на высокие значения сопротивления теплопередачи по основному полю конструкций.

Отказы 2-го типа занимают значительную нишу в общем количестве тепловых отказов для домов застройки 1960 - 1996 гг., что проанализировано выше. Но и для новых домов отказы этого типа являются также ощутимыми. При этом симптоматичным является то, что они чаще всего встречаются в конструкциях с внешним фасадным утеплением, то есть в таких конструктивных решениях, которые наиболее физически мотивированы для теплоизоляции домов. Возникновение этих типов тепловых отказов было обусловлено отсутствием нормативных требований по устройству систем фасадного утепления и, как следствие, не проведением соответствующего контроля качества исполнения работ. Однако, сейчас разрабатывается система нормативных документов к конструкциям фасадной теплоизоляции, [6]

Значительное количество тепловых отказов в домах застройки 1960 - 1996 гг. возникло в середине 90-х годов прошлого века, когда в Украине волевым решением местных эксплуатационных органов было понижено параметры теплоносителей в жилых и общественных строениях. В результате неисполнение условий теплового баланса, при котором обеспечиваются нормальные тепловлажностные параметры помещений, в массовом порядке возникают тепловые отказы 3-го типа.

Относительно небольшая часть отказов 4-го типа в домах советской застройки объясняется тем, что они проектировались во времена дешевых энергоносителей и к концептуальным недостаткам следует относить лишь то, что нормативная методика определения оптимального сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций на практике не применялась. Для домов новой застройки часть этого типа отказов является наиболее весомой вследствие изменений именно конструктивных принципов проектирования теплоизоляционной оболочки домов. что даст возможность уменьшить на практике строительства количество тепловых отказов этого типа.

Евгений Колесник