книги из ГПНТБ / Зезин В.Г. Эффективность применения в строительстве теплоизоляционных материалов

ния имеются работы как в отечественной, так и в зару­ бежной литературе.

Одним из первых в отечественной литературе этот вопрос был поднят в работах А. М. Шкловера (1933 г.) и О. Е. Власова (1938 г.). Позднее поэтому вопросу бы­ ли публикации в работах А. П. Васьковского, Л. Д. Бо­ гуславского, Л. К. Юргенсона и др. В зарубежной лите­ ратуре необходимо отметить работы С. С. Каммерера

(1951 г.) и Т. С. Роджерса (1964 г.).

В зарубежной практике имеются конкретные приме­ ры, показывающие тот крупный экономический эффект, который был получен при увеличении теплоизоляцион­ ных качеств ограждений, в частности, указывается, что в Англии уже в 1960—1961 гг. было осуществлено увеличе­ ние теплоизоляции производственного цеха площадью 20 тыс. м2 одной авиационной фирмой, что дало возмож­ ность ежегодно экономить 216 т угля и снизить мощ­ ность отопительной системы на 40%. В двух других слу­ чаях увеличение теплоизоляции позволило ежегодно эко­ номить 2500 и 4370 т угля. Дополнительное утепление ограждений в последнем -случае -было выполнено при по­ мощи отражательной алюминиевой фольги.

Увеличение сопротивления теплопередаче ограждений по сравнению с его минимальным допустимым значени­ ем, естественно, увеличивает стоимость конструкции, од­ нако последующая экономия на топливе, а также эконо­ мия средств, затраченных на систему отопления, делает эти дополнительные затраты на конструкцию экономиче­ ски целесообразными.

Расчеты показывают, что условие, при котором эко­ номически целесообразно идти на повышение термиче­ ского сопротивления изоляционного слоя в ограждении, у которого сопротивление теплопередаче в основном обу­ словливается слоем теплоизоляционного материала, ха­ рактеризуется с достаточной степенью точности следую­ щим неравенством:

■ V < 8’3(fB ~ W nS , (7?oP)a-10“

где Si — стоимость 1 м3 изоляционного материала «в де­ ле» с учетом транспортных затрат, затрат на укладку в конструкцию, стоимости отходов и др. в руб./лі3\

К— коэффициент теплопроводности изоляционного

ПО

Материала «в деле» с учетом эксплуатационного увлажнения и уплотнения при укладке в кон­ струкцию;

-8,3 — нормативный срок окупаемости капитальных вложений (годы);

tB— температура внутри помещения в град ;

'^п.ср — средняя температура наружнаго воздуха за ото­

увеличение толщины изоляции целесообразно в тех слу­ чаях, когда левая часть неравенства достаточно мала — «удельная стоимость изоляции» SiA, или когда правая часть неравенства соответственно велика. Величина по­ следней зависит как от отпускной стоимости тепла S, так и от величины, характеризующей климатические условия,

RоР = 1. Этот фактор показывает, что повышение тепло­ изоляционных свойств ограждений имеет наибольшее значение для районов Крайнего Севера, где теплопотери через ограждения при одинаковом сопротивлении тепло­ передаче ограждений в 4—-5 раз выше, чем на юге. В средней полосе РСФСР увеличение теплоизоляционно­ го слоя имеет значение только при высокой стоимости тепла (выше 5 руб/Гкал). В южных районах СССР по­ вышать теплоизоляционные свойства ограждений в це­ лях сбережения тепла в зимнее время, как правило, не­ целесообразно. Необходимо, однако, иметь в виду, что в южных районах страны в ближайшее время получат распространение холодильные установки — кондиционе­ ры по созданию комфортных условий в жилых и произ­ водственных помещениях в летнее время, и в этом случае улучшение изоляционных качеств ограждений будет иметь первостепенное значение. Представление о том, как изменится величина «географического фактора», да­ ет табл. 44.

Стоимость тепла 5 в зависимости от видов топлива, мощности котельных установок и других факторов в на-

Ш

стоящее время колеблется в больших пределах. При вы­ работке тепла на крупных современных ТЗЦ (на природ­ ном газе) отпускная цена, включающая плату за фон­ ды ,— величина, близкая приведенным затратам,— со­ ставляет 2—3 руб. на 1 млн. ккал, тогда как отпускная цена за тепловую энергию, полученную от электронагре­ вателей, питающихся от электростанции, а также за теп­ ло от небольших котелен, работающих на угле или жид­ ком топливе (например, в рассредоточенных районах Крайнего Севера), составляет Ю—20 и более руб/1 млн. ккал. Использование в районах Крайнего Се­ вера мощных природных запасов топлива, например нефти и газа Тюменской области, а также энергии атом­ ных станций позволит в будущем существенно снизить себестоимость и отпускную цену на тепло в северных районах, однако, учитывая рассредоточенность потреби­ телей тепла на Севере, отпускная цена в будущем, повидимому, не будет меньше 5—6 руб/1 млн. ккал, т. е. тех средних показателей, которые имеются в настоящее время в средней полосе СССР.

«Удельная стоимость теплоизоляционных материа­ лов» сейчас для различных видов эффективных матери­ алов и конструкций колеблется 1,5—3 руб!м4- ч- град. Расчеты показывают, что увеличение толщины теплоизо­ ляционного слоя становится, как правило, нерациональ­ ным при удельной стоимости, превышающей 5 руб. ккал/м4-ч-град, т. е. тогда, когда применяются не­ эффективные с точки зрения теплоизоляции материалы.

112

С народнохозяйственной точки зрения экономиче­ скую оценку капитальных вложений при производстве теплоизоляционных материалов необходимо, как уже было сказано, производить по приведенным затратам П на конечную продукцию.

Приведенные затраты в руб/ед конечной продукции для строительства определяются по формуле

П = ЕаК + С -\-Э/Ен.п,

Кудельные капитальные вложения, необходимые

для организации производства данного вида

Ен.п — нормативный коэффициент приведения, равный

0, 12.

При экономическом сопоставлении теплоизоляцион­ ных материалов выявление достоверных показателей ве-і личин удельных капитальных вложений в производство материалов, а также величии, характеризующих себе­ стоимость этих материалов, встречает определенные трудности. Поэтому в отдельных случаях первые два члена выражения EHK-j-C могут быть заменены соответ­ ствующей величиной, исчисленной на основе отпускной цены на теплоизоляционный материал. Эта замена допу­ стима для ориентировочных расчетов, однако следует иметь в виду, что среднеотраслевая рентабельность мно­ гих видов теплоизоляционных материалов значительно превышает рентабельность других отраслей промышлен­ ности, и, следовательно,- отпускные цены на эти теплои­ золяционные материалы выше приведенных затрат.

Годовые эксплуатационные затраты Э определяются в зависимости от географического местонахождения объ­ екта.

113

Для конструкции с сопротивлением теплопередаче, равным единице,

Q (^н — Ѵср) п s

310е R

Сучетом изложенного приведенные затраты, исчис­ ленные на объем теплоизоляционного материала, потреб­

ного для 1 м2 конструкции, при сопротивлении теплопе­ редаче, равном единице, выразятся так:

П = Sx\ + 8,3 (tB— tu.cp) nSICr6 - мин.

или соответственно для конструкции с сопротивлением теплопередаче, равном R, 'будем иметь:

n = Sl \R + 8.3 (tB— ^н.ср) nS —мин.

10е R

Как видно из этого выражения, величина приведен­ ных затрат имеет две противоречивые тенденции к изме­ нению: она увеличивается с увеличением R благодаря наличию первой части выражения SiA-R (стоимость теп­ лоизоляции) и уменьшается в связи с наличием второй части выражения

8.3 ('в- W nS (стоимость тепла).

106R

Графически приведенные затраты представляют со­ бой кривую, ординаты которой слагаются из ординат прямой типа ах (затраты на теплоизоляцию) и порабо-

лы’типа — (эксплуатационные затраты). Естественно,

X

что минимальному значению ординаты будет соответст­ вовать искомое значение х или в данном случае R — со­ противление теплопередаче ограждения. Вводя некото­ рые допущения, не оказывающие существенного влия­ ния на достоверность результатов, можно определить ве­ личину оптимального значения теплопередаче. Принима­ ются следующие допущения:

предполагается, что стоимость конструкций есть не­ прерывная функция от толщины изолирующего слоя при линейной зависимости;

термическое сопротивление облицовочных материа­ лов — наружных и внутренние слоев трехслойных кон­ струкций, а также сопротивление теплопередаче на внут­ ренней и наружной поверхностях ограждения незначи­

1 1 4

тельны по сравнению с термическим сопротивлением ос­ новного теплоизоляционного материала;

величина годовых эксплуатационных затрат во вре­ мени іне изменяется.

Оптимальное значение сопротивления теплопередаче RonT может быть легко найдено математически из ука­ занного выше выражения приведенных затрат. Для это­ го находится первая производная выражения приведен­ ных затрат по R с последующим приравниванием произ­ водной к нулю.

Определение наиболее выгодной с точки зрения эко­ номии величины оптимального значения сопротивления теплопередаче ограждения (что при упомянутых выше допущениях равно значению термического сопротивле­ ния основнаго утепляющего слоя) можно производить по формуле

(1)

В этой формуле, не отличающейся, по существу, от формул, рекомендуемых А. М. Шкловером и другими ав­ торами, основные стоимостные показатели теплоизоляци­ онного материала и тепловой энергии выражены не че­ рез показатели себестоимости, а по отпускным ценам, в которых отражена доля капитальных вложений в основ­ ное производство. Б связи с этим в формуле іне получили отражение капиталовложения как в производство тепло­ изоляционных материалов, так и в систему теплоснаб­ жения. ^

Некоторые авторы считают необходимым учитывать не только экономию тепла в связи с применением более «теплых» ограждений, но также учитывать ту экономию капитальных вложений в систему теплоснабжения, кото­ рая будет иметь место в случае внедрения ограждающих конструкций с повышенными теплоизоляционными ка­ чествами. Такая постановка вопроса вполне закономер­ на, однако достоверное определение экономии капиталь­ ных вложений весьма затруднительно. Величина этой экономии будет зависеть от многих факторов, учесть ко­ торые практически невозможно. Например, в каком объ­ еме будут, к отопительной системе подключаться здания с заданными конструкциями; какой будет процент прое­ мов в стенах; какова будет этажность этих зданий; ка­ кая будет плотность застройки населенного района и

115

очередность застройки и т. д. Во многих случаях эту ин­ формацию заранее получить невозможно, а следователь­ но, невозможно также и-вычислить ту экономию капи­ тальных вложений в сист'ему теплоснабжения, которая должна быть заложена при определении толщины изо­ ляционного слоя ограждений.

В тех конкретных случаях (например, при застройке новых населенных пунктов), когда проектная организа­ ция имеет все необходимые данные о развитии района, оптимальное сопротивление теплопередаче ограждений целесообразно определять методом последовательного ■приближения. Тогда толщину выбранной изоляции при первом приближении можно определить по формуле (1), подставляя в нее расчетную себестоимость тепловой энергии для данного случая. Если вычисленная при этом величина сопротивления теплопередаче ограждений бу­ дет существенно выше минимального значения, допусти­ мого нормами СНиП, то необходимо определить (путем конкретных расчетов или по укрупненным показателям) разницу в капитальных вложениях в систему теплоснаб­ жения рассматриваемого района по варианту с теплопотерями при толщине, обусловленной минимальными нормами СНиП, и при толщине, соответствующей R 0m, вычисленной по формуле (1). На основе этих расчетов может быть определена величина удельных капитальных вложений К в систему по формуле

к _ К1 —К2

116

В формуле (2) не учитываются теплопотери в наруж­ ных трубопроводах, подводящих тепло, а также теплопо­ тери на объекте, генерирующем тепло, которые составля­ ют до 15% общих тѳплопотерь. Эта неточность компен­ сируется упомянутыми выше допущениями, в которых, как указывалось, не учитывается термическое сопротив­ ление ограждающих слоев конструкции и сопротивление теплопередаче на обеих поверхностях ограждения.

Очевидно, что величина сопротивления теплопереда­ че, определенная по уточненной формуле (2), будет больше величины, полученной при первом приближении, и будет лучше отражать объективную действительность. Расчет может быть продолжен и дальше, т. е. могут быть вновь определены удельные капитальные вложения в систему и затем повторно уточнена величина R0wr по формуле (2). Однако, как показывают конкретные рас­ четы, второе приближение уже позволяет получить до­ стоверные результаты, и последующие уточнения молено не производить.

Необходимо отметить, что при увеличении сопротив­ ления теплопередаче ограждений по сравнению с мини­ мально допустимыми величинами значительно улучша­ ется комфортные условии в помещениях. Это объясняет­ ся уменьшением лучистого теплообмена между обитате­ лями помещения и ограждениями (стенами, потолком), температура внутренней поверхности которых в зимнее время повышается. Некоторые исследователи (например, Т. С. Роджерс) считают, что в целях достижения необхо­ димого комфорта помещений теплоперепад между тем­ пературой воздуха в помещении и температурой внутрен­ ней поверхности наружного ограждения не должен пре­ вышать 3°. Как известно, действующие нормы (СНиП) допускают разницу в 6°.

Снижение теплоперепада температур между возду­ хом помещения и поверхностью ограждения в 2 раза по­ требовало бы увеличения сопротивления теплопередаче ограждений тоже в 2 раза и соответствующее увеличение стоимости ограждения. С экономической точки зрения с этим без необходимых оговорок согласиться нельзя, так как для малоэффективных материалов (кирпич, дерево) увеличение сопротивления теплопередаче потребовало бы необоснованно большего расхода материала.

В Норвегии, Швеции и Финляндии, согласно требо­ ваниям Единого скандинавского строительного кодекса,

U 7

максимальное требуемое сопротивление теплопередаче ограждений почти в 2 раза выше, чем по норма.м СНиП, что дает возможность экономить тепловую энергию.

В южных районах возникает вопрос предохранения жилых и производственных помещений от перегрева в летнее время. Из соображений комфорта или в связи с производственной необходимостью в помещениях преду­ сматривается кондиционирование воздуха. Экономиче­ ский эффект, который может быть достигнут при доведе­ нии толщины теплоизоляционного слоя до оптимального значения, при сохранении холода, например, в промыш­ ленных холодильных установках значительно выше, чем при сохранении тепла, так как затраты иа получение хо­ лода в несколько раз выше.

Число промышленных и гражданских помещений, об­ служиваемых кондиционерами, в ближайшие годы будет возрастать, и, следовательно, вопросу экономии энергии путем улучшения тепловой изоляции следует уделить должное внимание. Принцип определения оптимальной толщины теплоизоляционного слоя не отличается от принципа, указанного выше при нахождении наиболее экономически целесообразной толщины теплоизоляции при утеплении ограждающих конструкций зданий. Одна­ ко величины, входящие в формулу (2), примут другие значения, и расчетными температурами будут не зимние, а летние.

Метод определения оптимальной толщины теплоизо­ ляционного слоя при утеплении трубопроводов, цилинд­ ров и сферических поверхностей существенно отличается от метода, применяемого к плоским ограждениям. В частности, при утеплении трубопроводов малых диамет­ ров материалами е низкими теплоизоляционными свой­ ствами теплопотери изолированной трубы (вследствие увеличения наружной поверхности) могут оказаться вы­ ше, чем трубы неизолированной. Это говорит о том, что при утеплении трубопроводов, цилиндров и сферических поверхностей необходимо выбирать материалы с особо высокими теплоизоляционными свойствами. В зарубеж­ ной практике широкое распространение при изоляции трубопроводов и емкостей получила двухслойная изоля­ ция, состоящая из высококачественного стекловолокна или пенопласта и алюминиевых листов в качестве наруж­ ного слоя. Применение алюминиевых покрытий в этом случае защищает изоляцию от атмосферных воздействий,

118

повреждений и, кроме того, резко снижает теплоотдачу лучеиспусканием.

Врезультате расчетов, проведенных в соответствии с разработанной .методикой, получены технико-экономиче­ ские оценки основных теплоизоляционных материалов, позволяющие судить о сравнительной эффективности применения различных теплоизоляционных .материалов в конструкциях.

Втабл. 45 и 46 приведены технико-экономические поіказатели теплоизоляционных материалов, сгруппирован­ ных с учетом их применения в основных типах конструк­ ций. Наиболее перспективными для утепления кровель­ ных конструкций с рулонной кровлей следует считать поропласты —пенополистирол, фенолоформальдегидный поропласт и пенополиуретан. Эти материалы, обла­ дающие малой объемной массой, способствуют умень­ шению веса конструкций, не требуют дополнительных затрат (цементно-песчаной стяжки) и по приведенным затратам, в .расчете на единицу площади ограждения,

оказываются наиболее экономичными. Достаточно эко­ номичными являются минераловатные плиты повышен­ ной жесткости на синтетическом связующем. Плиты ми­ нераловатные на битумном связующем и плиты из ячеи­ стого бетона уступают по своей эффективности поропла­ стам и жестким минераловатным плитам на синтетиче­ ском вяжущем.

Теплоизоляционные засыпки с применением цемент­ ной стяжки имеют довольно высокие показатели приве­ денных затрат и трудозатрат.

Весьма эффективным материалом для утепления гоф­ рированных кровель (асбоцементных, алюминиевых, оцинкованных стальных и других) наряду с полистирольным пенопластом ПСБ-С являются самонесущие минера­ ловатные плиты на синтетическом связующем, примене­ ние которых позволяет значительно упростить конструк­ цию кровли и снизить ее стоимость.

Для утепления трехслойных стеновых конструкций могут быть использованы стекловолокнистые, минерало­ ватные материалы, а также поропласты.

Зарубежный опыт (США, фирма «'Кайзер Алюминум») показывает большую эффективность применения заливочных и самовепенивающихея композиций, напри­ мер пенополиуретана в алюминиевых конструкциях кро­ вель и стен. Такие конструкции в зарубежной практике

119