Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Архитектура, Строительство
Размещена 31.07.2019. Последняя правка: 31.07.2019.

Негативные последствия внедрения энергосберегающих технологий в жилищном строительстве на примере утепления жилого здания

Милюкова Ирина Раифовна

Запорожский институт экономики и информационных технологий

старший преподаватель

Аннотация:
Снижение энергоемкости систем отопления жилых зданий путем повышения теплоизолярующих свойств ограждающих конструкций имеет неочевидные на первый взгляд недостатки. Негативные эффекты проявляются, как правило, по прошествии первого отопительного сезона. В статье приводятся примеры некоторых из таких негативных эффектов. Обсуждается локальное повышение влажности внутренних поверхностей ограждающих конструкций, в последствие сопровождающееся грибковыми поражениями. Анализируются возможные причины возникновения этих проявлений и способы их ликвидации.


Abstract:
Reducing the energy consumption of residential building heating systems by improving the insulating properties of walling has unobvious at first glance shortcomings. Negative effects appear, as a rule, after the first heating season. The article give examples of some of these negative effects. A local increase in the humidity of the internal surfaces of the walling is discussed. This is followed by fungal infections. Analyzed the possible causes of these manifestations and how to eliminate them.


Ключевые слова:
микроклимат; отопление; вентиляция; влажность воздуха; утепление; конденсация; точка росы; скорость движения (подвижность) воздуха; энергоресурсы

Keywords:
microclimate; heating; ventilation; air humidity; warming; condensation; Dew point; air velocity (mobility); energy resources


УДК 628.89+697.953

Введение: термомодернизация зданий жилого и гражданского назначения является эффективным инструментом регулирования потребления энергоресурсов. Теоретически обоснованное и практически получаемое снижение расходов на энергоносители подкрепляется доступной и сравнительно быстрой окупаемостью мероприятий по утеплению зданий. Данная практика имеет государственное регулирование на уровне требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций вновь возводимых зданий и сооружений. Наряду с этим, энергоэффективные мероприятия получают широкое распространение и при термомодернизации существующего жилого фонда в качестве инструмента снижения затрат на отопление и кондиционирование помещений. При этом конечный потребитель данной услуги не всегда осведомлен о возможных побочных эффектах снижения температуры теплоносителя в системах отопления.

Актуальность: Аксиомой является утверждение, что за блага цивилизации человечество вынуждено платить. Цена удобства и комфорта имеет не только материальное выражение, а и эквивалент в виде здоровья. Стремясь сократить денежные расходы, человек может неосознанно получить ухудшение самого ценного своего ресурса – дееспособности. Например, аллергии давно считаются заболеванием цивилизации, по данным ВОЗ распространенность аллергических заболеваний опосредованных иммуноглобулином Е (к ним относятся астма, риноконъюнктивит, экзема, анафилаксия) составляет более 20 %, бронхиальная астма диагностирована у 150 млн. человек на планете, распространенность астмы у детей доходит до 15%, а у 80 % из них она имеет аллергическую природу [11]. Роль спор плесени в развитии астмы широко освещена в статьях и научных работах в области медицины [6-9, 12]. Четких норм содержания грибов в воздухе помещений нет. Всемирная организация здравоохранения считает пороговой концентрацией не более 500 спор на 1 м3 воздуха. В [4] показана прямая корреляция между общей грибковой обсемененностью воздушной среды помещений и ростом аллергической заболеваемости, а также наличием у жильцов клинически подтвержденных диагнозов бронхиальной астмы. По данным [4] проживание в помещениях с превышением пороговой концентрацией спор в течение года вызывало аллергические заболевания в 73,3 % случаев, заболевания бронхиальной астмой в 30 % случаев.

На практике зафиксирован случай появления локальных очагов грибкового поражения ограждающих конструкций в жилых помещениях в течение первого отопительного периода после проведения повторного утепления фасада здания.

Цели: разработка мероприятий по устранению причин возникновения увлажнения стеновых конструкций и появления плесени в здании.

Задачи: выявление факторов, приводящих к местному увлажнению конструктивных элементов здания, анализ причин их возникновения и способов ликвидации или нивелирования.

Материалы и методы: Условием существования плесневых грибков в помещении является оптимальный для их развития тепло-влажностный режим, который неосознанно может быть создан при проведении термомодернизации здания.

Оптимальные условия для пребывания человека в помещении регулируются параметрами микроклимата, к которым нормативно относятся температура, относительная влажность и скорость движения воздуха, температура поверхностей помещения, интенсивность теплового облучения. Параллельно применяются санитарно-гигиенические требования к качеству воздушной среды, подразумевающие наличие в нем предельно допустимых концентраций химических и биологических веществ. Под эти понимаются такие концентрации данных веществ, которые не оказывают влияния на здоровье человека. При этом оказывается, что соблюдение оптимальных параметров микроклимата помещения не всегда обеспечивает санитарную гигиену относительно плесени, так как физические требования к зданиям (конденсация, плесень и т.п.) регуляторно не нормируются, а гигиенические нормы определяют критерии комфортности [1].

Данные для анализа собирались на объекте в течение 2018-2019 г.г. Здание представляет собой одноэтажный одноквартирный жилой дом с несущими стенами из силикатного кирпича. Первый этап утепления ограждающих конструкций был проведен в 2011 г., на этом этапе фасад здания был оклеен пенополистирольными плитами марки ПБС-25 толщиной 30 мм и оштукатурен цементно-песчаным раствором с последующим окрашиванием. Эффективность мероприятий позволила в отопительный период при температуре наружного воздуха -10 °С поднять температуру внутри здания с 16 °С до 20 °С при температуре теплоносителя на выходе из газового котла 60 °С. В 2018 г. с целю экономии энергоносителя был проведен второй этап утепления: на фасад поверх первого слоя утеплителя были смонтированы термопанели на основе пенополистирола марки ПБС-25 толщиной 100 мм. Наружная сторона термопанели имеет фактурный защитный слой из мелкозернистого бетона, монтаж панелей проведен на клей-пену. Вид одного из фасадов после первого этапа утепления и в процессе второго показаны на рис. 1 и 2 соответственно. Проведенные мероприятия позволили добиться снижения температуры теплоносителя до 45 °С при прочих равных условиях (температурах внешней и внутренней среды).


Фасад здания после монтажа одного слоя утеплителя
Рис. 1. Фасад здания после монтажа первого слоя утеплителя


Фасад здания в процессе монтажа второго слоя утеплителя
Рис. 2. Фасад здания в процессе монтажа второго слоя утеплителя


Средняя же температура зимнего периода 2018-2019 г.г. в регионе составляла -1 °С, что позволило поддерживать температуру теплоносителя на выходе из газового котла на уровне 35 °С, при этом температура тупиковых радиаторов отопительной системы составляла 25-27 °С. Очевидная эффективность утепления позволила сократить расходы на энергоноситель, количественно оценить который объективно сложно из-за различных климатических показателей текущего отопительного периода предыдущих.

Параллельно с этим результатом в жилых помещениях (спальни, гостиная) появилось запотевание стеклопакетов в ночной период времени, которое не наблюдалось ранее (рис. 3, 4). В здании установлены энергосберегающие двухкамерные стеклопакеты с инертным газовым заполнением и і-стеклом, сопротивление теплопередаче 0,7 м2·К/Вт. Также к концу зимнего периода были выявлены очаги грибковых поражений стен в этих помещениях здания. Более тщательное обследование здания обнаружило локальное увлажнение некоторых зон ограждающих конструкций: стены на уровне пола (рис. 5), угла комнаты на уровне потолка (рис. 6), угла и стены от уровня середины помещения и до потолка (рис. 7).


Образование конденсата на стеклопакетах
Рис. 3. Образование конденсата на стеклопакетах



Образование конденсата на стеклопакетах при температуре внешнего воздуха -1 °С
Рис. 4. Образование конденсата на стеклопакетах при температуре внешнего воздуха -1 °С



Очаг грибкового поражения стены здания на уровне пола
Рис. 5. Очаг грибкового поражения стены здания на уровне пола


Очаг грибкового поражения угловой части стены здания
Рис. 6. Очаг грибкового поражения угловой части стены здания



Очаг протяженного грибкового поражения угловой части стены здания
Рис. 7. Очаг протяженного грибкового поражения угловой части стены здания


Путем обследования были исключены варианты утечек и протекания воды, капиллярного подсоса и замокания фундаментов. При таких условиях возможные причины данных явлений принято искать в недостаточной вентиляции, повышенной влажности в помещении, температуре поверхности ниже точки росы.

Комплексно проанализируем влияние этих факторов на увлажнение стен и стеклопакетов в условиях данного здания, принимая во внимание, что параметры микроклимата помещений до и после термомодернизации не изменились.

Вентиляция здания естественная в главных жилых помещениях с показателем свежести воздуха и комбинированная в помещениях, требующих удаления загрязнений воздуха (санузел, кухня). До проведения второго этапа термомодернизации заданных характеристик вентиляции здания было достаточно для предотвращения нежелательной конденсации в жилых помещениях. Впоследствии для осушения стеклопакетов применялось принудительное проветривание, что было скорее "симптоматическим лечением", нежели эффективным мероприятием.

Относительная влажность воздуха в жилых помещениях колебалась в пределах  40-50%, что вписывается в нормы для повышено оптимальных условий микроклимата (категория І, согласно [1]). При замерах на подоконниках влажность поднималась до 50-60 %, что связано с понижением температуры воздуха в этой части комнаты до 17 °С. Данный интервал соответствует нормам для  оптимальных условий микроклимата (категория ІІ). Тем не менее, согласно [1] при расчетной влажности более 50 % допускается применение средств по осушению воздуха. С этой целью был использован влагопоглотитель на основе хлористого кальция, обладающего гигроскопичными свойствами. По результатам проведенных мероприятий можно констатировать абсолютную неэффективность данного способа в масштабах жилых помещений, адсорбируемое на кристаллах хлористого кальция количество влаги не способно существенно влиять на влагосодержание воздуха.

В каждом из случаев влажность была менее 100 % (состояние насыщенного пара), что исключает конденсацию воды из воздуха вследствие нестабильного термодинамического состояния системы. При этом, даже при влажности 40 %, наблюдалось увлажнение стеновых материалов и стеклопакетов, особенно привлекает внимание локальный характер данного явления.

Температура поверхности материалов имеет определяющее значение, так как наблюдаемый процесс увлажнения является по существу конденсацией паров воды из воздуха. Классические представления о конденсации связаны с понятием точки росы, т.е. температуры при которой на поверхности происходит фазовый переход воды из газообразного в жидкое состояние. Оценим фактическую температуру поверхностей ограждающих конструкций расчетным методом. Перепад температуры на поверхности определяется сопротивлением теплопередаче конструкции и температурой наружного и внутреннего воздуха. Температура внутренней поверхности определяется по формуле 1:


формула 1
где  tв– температура воздуха внутри помещения, °С;
tн – температура наружного воздуха, °С;
R – сопротивление теплопередаче, м2·К/Вт;
aв – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности конструкции, для внешних стен равен 8,7 Вт/(м2·К), для окон равен 8 Вт/(м2·К).
Сопротивление теплопередаче многослойной конструкции определяется по формуле 2:

Формула 2
где Rі - сопротивление теплопередаче i-го слоя материала конструкции, м2·К/Вт. Определется по формуле 3;
aн − коэффициент теплоотдачи наружной поверхности конструкции, для внешних стен и окон равен 23 Вт/(м2·К).
Формула 3
где δі – толщина i-го слоя материала конструкции, м;
λі – теплопроводность материала i-го слоя конструкции в расчетных условиях эксплуатации, Вт/(м·К).
Таким образом для внешней стены, состоящей из колодцевой кладки из силикатного кирпича суммарной толщиной 250 мм, утеплителя из пенополистирола суммарной толщиной 130 мм, цементно-песчаной штукатурки и мелкозернистого бетона суммарной толщиной 30 мм расчетное сопротивление теплопередаче составляет 3,4 м2·К/Вт (нормативное значение для данного региона не менее 2,8 м2·К/Вт). Расчетная температура внутренней поверхности стены при средней температуре наружного воздуха за анализируемый период -1 °С (она же фигурирует на рис. 5) составляет 19,3 °С. Точка росы же для температуры внутреннего воздуха 20 °С и влажности 50 % равна 9,3 °С.Аналогично для стеклопакета расчетная температура внутренней поверхности составит 13,8 °С, точка росы же для температуры внутреннего воздуха на подоконнике 17 °С и влажности 60 % равна 9,2 °С.Для анализа результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры микроклимата помещений

конструктивный
элемент
температура
наружного
воздуха, °С
температура
внутреннего
воздуха, °С
сопротивление
теплопередаче,
м2·К/Вт
расчетная
температура
внутренней
поверхности, °С
относительная
влажность
воздуха, %
температура
точки
росы, °С
внешняя стена -1 20 3,4 19,3 50 9,3
стеклопакет 17 0,7 13,8 60 9,2


Полученные данные показывают, что температура внутренних поверхностей значительно превышает точку росы. Более того, чтобы при данных условиях происходила конденсация воды, относительная влажность воздуха должна была бы составлять 90-95%, что не соответствует действительности.Дополнительно было замечено, что если на окнах в ночное время не опускались жалюзи, то запотевание существенно снижалось, что может обуславливаться сочетанием повышения подвижности воздуха в помещении и повышения температуры внутреннего стекла за счет улучшения конвективных процессов. Появление плесени вследствие увлажнения стен также обнаружено в местах с затрудненной циркуляцией воздуха – в верхних углах помещений (при том, что температура воздуха здесь больше 20 °С из-за поднятия теплых воздушных масс, а влажность предположительно меньше, из-за экспоненциального характера распределения частиц в воздухе), внизу стен в зоне, практически постоянно закрытой портьерами (рис. 8). Обеспечение принудительной циркуляции воздуха вызывает полное просыхание материалов конструкций.


Локализация очага грибкового поражения в местах с малой циркуляцией воздуха
Рис. 8. Локализация очага грибкового поражения в местах с малой циркуляцией воздуха

Научная новизна: Классические представления о процессах увлажнения конструктивных элементов зданий связывают конденсацию влаги из воздуха с достижением системы состояния насыщения (влажность воздуха 100 %, конденсация происходит равномерно по всему объему) и с достижением телом температуры точки росы. На примере данного жилого здания показано, что два выше описанных фактора не являются исключительными и конденсация возможна при меньших относительных влажностях и при температурах, превышающих точку росы. На данный момент автором не обнаружено данных, анализирующих или описывающих наблюдаемые явления. Работы большинства авторов направлены на анализ процессов диффузии влаги в газообразной форме через ограждающие конструкции [10], адсорбции влаги материалом и ее динамического равновесия [3, 5], нестационарного влажностного режима ограждений [2]. Анализ влияния подвижности воздуха на процессы конденсации и их математическое описание даст инструмент для направленного влияния на процессы увлажнения материалов, например, возможен расчет скорости движения воздуха в помещении, при котором не будет происходить конденсация воды при заданной влажности и температуре.

Заключение: Можно предположить, что одним из факторов, влияющих на процессы конденсации, является скорость движения воздуха в помещении. Причем в данном случае основная роль подвижности воздуха состоит скорее не в конвективном теплопереносе, а в физическом движении водяных масс. Повышение скорости движения, вероятно, меняет характер взаимодействия молекул с поверхностью материала (частота соударений, длительность, энергия взаимодействия и т.п.), а в момент такого взаимодействия процесс конденсации возможен даже при температурах поверхности выше точки росы. Адсорбционные качества материалов в данном случае, предположительно не имеют решающего значения, поскольку увлажнение материалов замечено как для абсолютно негигроскопичных материалов (стекло), так и активно поглощающих влагу (цементно-песчаная штукатурка, бумага).Очевидно, что описанная проблема непосредственно касается зданий с системами отопления, работающими по принципу теплопередачи и не будет так ярко проявляться для систем конвективного переноса тепловой энергии. Эффективным способом недопущения конденсации является механическое побуждение движения воздушных масс. Например, использование вентиляторов на низких оборотах будет эффективным и менее ресурсоемким, чем рекуператоров, требующих расхода энергии на подогрев подаваемого внешнего воздуха.

Результаты: В ходе исследования показано, что процесс конденсациивлаги на поверхности ограждающих конструкций обуславливается не только влажностью воздуха, температурой воздуха и ограждающих конструкций. Переход воды в жидкую фазу возможен на поверхностях, имеющих температуру существенно выше (в данном исследовании в 1,5-2 раза) точки росы. Данные процессы характерны для областей с малой подвижностью воздуха.

Выводы: На процесс конденсации оказывает влияние скорость движения воздуха в данной зоне. Можно предположить, что утепление стен и соответствующие понижение температуры теплоносителя вызывает снижение температурного градиента между поверхностью радиаторов систем отопления и воздушной среды. Что в свою очередь приводит к уменьшению скорости движения регулярных воздушных потоков в помещении вследствие уменьшения разности плотностей воздуха непосредственно прогреваемого радиатором по механизму теплопроводности и воздуха усредненного конвекцией по объему помещения. Показано, что принудительная циркуляция воздушных масс в помещении в комплексе с обеспечением доступа воздуха в области потенциального увлажнения устраняет проблему увлажнения ограждающих конструкций и возникновения грибковых поражений материалов конструкций.

Библиографический список:

1. EN 15251:2007 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.
2. Гагарин В.Г., Зубарев К.П. Применение теории потенциала влажности к моделированию нестационарного влажностного режима ограждений // Вестник МГСУ. – 2019. – № 4/14. С. 484-495.
3. Гагарин, В.Г., Пастушков П.П., Реутова Н.А. К вопросу о назначении расчётной влажности строительных материалов по изотерме сорбции // Строительство и реконструкция. – 2015. – № 4. – С. 152–155.
4. Губернский Ю.Д., Беляева Н.Н., Калинина Н.В., Мельникова А.И., Чуприна О.В. К вопросу распространения и проблемы гигиенического нормирования грибкового загрязнения воздушной среды жилых и общественных зданий // Гигиена и санитария. — 2013. — №5.— С. 98-104.
5. Ельчищева, Т.Ф. Определение влажностного режима помещений зданий при наличии в стеновом материале гигроскопических солей // Строительные материалы. – 2017. – № 6. – С. 14–18.
6. Котов В.С. Грибковая сенсибилизация у детей при хронических аллергических заболеваниях легких и критерии их диагностики: дис. … канд. мед. наук. — М., 2002. — 175 с.
7. Купцова Н.В. Клинико-иммунологические особенности и специфическая иммунотерапия аллергических заболеваний у детей, сенсибилизированных аллергенами плесневых грибов и домашней пыли: дис. … канд. мед. наук. — М., 2011. — 105 с.
8. Макарова М.А. Основные провокаторы обострений бронхиальной астмы //
Астма и аллергия. — 2017. — №4.— С. 15-16.
9. Левенец С. С., Горобец Н. М. Эпидемиологические особенности у детей с бронхиальной астмой // Мир Медицины и Биологии. — 2018. — №1.— С. 039-042.
10. Левин Е.В., Окунев А.Ю. Нестационарный влажностный режим жилых помещений и влияние на него сорбции паров воды // Academia. Архитектура и строительство. — 2018. — №4.— С. 130-136
11. Чучалин А.Г. Всемирная организация по аллергии: руководство по профилактике аллергии и аллергической астмы // Аллергология и иммунология. — 2005. — №1.— С. 81-91.
12. Эльканова А.Х. Клинико-функциональные особенности бронхиальной астмы у детей с грибковой сенсибилизацией: дис. … канд. мед. наук. — Ставрополь, 2013. — 137 с.




Рецензии:

20.08.2019, 19:29 Саньков Петр Николаевич
Рецензия: Статья посвящена сложнейшей, важнейшей для безопасности жизнедеятельности человека проблеме. Есть несколько замечаний и пожеланий автору: 1) Изложение материала часто напоминает романный стиль. Очень длинные и сложные предложения (пример: в выводах третье предложение "...Что в свою очередь приводит к уменьшению скорости..."), которые теряют в конце связь с началом, или запутывают пользователя. 2) В актуальности начинаем с отсутствия четких норм для грибов, а заканчиваем количеством спор в кубе воздуха. 3) Цель одна. А задач для ее достижения может быть несколько. 4) задачи обозначены очень скромно. Особенно интересен термин "нивелирование" без пояснения. Поэтому и выводы как калейдоскоп.5) Материалы и методы представлены как постановка проблемы. А где методы? Очень интересен факт средней температуры -1 °С и после -10 °С. Где корреляция эксперимента?6)Научная новизна основана на предположениях. Требует существенной переработки. 7) Кроме соли как проводилось осушение, особенно стеклопакетов? Проветриванием? Тогда где экономия тепла? Предложение автору для научного эксперимента: Провести эксперимент с обычным раздельным окном и стеклопакетом (при всех прочих равных условиях: помещения, стены, оконного проема, температур и влажности). Работа может быть опубликована после редактирования и устранения указанных замечаний.



Комментарии пользователей:

31.07.2019, 14:45 Кузьмин Артем Александрович
Отзыв: Интересно, мне понравилось. Фото облегчает восприятие материала


Оставить комментарий


 
 

Вверх