29 Июнь 2016

 

А.А. ПАНКРУШИН, инженер, Нижегородский архитектурно:строительный университет

 

Повышение требований к тепловой защите зданий и сооружений привело к расширению номенклатуры теплоизоляционных материалов. Наряду с традиционными минераловатными изделиями и пенополистиролами на рынке появились новые марки теплоизоляции, которые имеют меньший опыт применения и эксплуатации. Применение этих материалов в зданиях повышенной ответственности с проектным сроком эксплуатации 50 лет и более, в том числе во многоэтажных жилых, приводит к необходимости тщательного исследования их эксплуатационных характеристик.

 

Одним из таких материалов является карбамидо-формальдегидный пенопласт, который благодаря доступности оборудования для его производства и низкой себестоимости получает все более широкое распространение, особенно в частном строительстве. Назвать его абсолютно новым нельзя, так как производство карбамидных пенопластов осуществляется около 50 лет. В нашей стране они выпускались под марками МФП, мипора и др. Совершенствование технологии производства и улучшение характеристик сырья привело к появлению новой марки карбамидного пенопласта — пеноизола.

 

Применение пеноизола для теплоизоляции зданий

 

Преимущественное распространение, в том числе и за рубежом, получил воздушно-механический способ изготовления карбамидных пенопластов, позволяющий получать материалы малой плотности (10—25 кг/м3) с тонкой ячеистой структурой. Отверждаясь, пена не увеличивается в объеме и не оказывает давления на стенки конструкции, что позволяет при положительной температуре окружающего воздуха вести заливку непосредственно на строительной площадке в заранее подготовленные полости (слоистые кладки, сборные металлоконструкции и т. д.). При всей привлекательности такого метода в ряде случаев в силу особенностей технологии и невозможности первичного визуального контроля могут возникнуть проблемы с качеством проведенных теплоизоляционных работ.

 

Показателен в этом плане пример снижения теплопотерь в производственном помещении с большим процентом остекления, в котором по техническим причинам отпала потребность в естественном освещении. Ввиду невозможности монтажа плитной теплоизоляции в июне 2003 г. была произведена заливка пеноизола в полость шириной 0,12 м между внутренним и наружным остеклением.

 

На первом этапе была произведена заливка половины всего объема. Для снижения себестоимости пеногенератор был отрегулирован на очень низкий расход карбамидно-формальдегидной смолы. Взятые пробы показали, что плотность пенопласта составила 4,8—7,8 кг/м3. На четвертые сутки явно стала наблюдаться усадка пенопласта, появились усадочные трещины. В итоге величина усадки составила порядка 10%, а максимальное раскрытие усадочных трещин достигало 10 см. Впоследствии образовавшиеся пустоты были ликвидированы путем применения плитного и дробленого пеноизола.

 

На втором этапе заливки был увеличен расход смолы. Плотность пенопласта повысилась до 11,1—12,2 кг/м3. Визуально усадки не наблюдалось. На третьей неделе после заливки появились усадочные трещины, но ширина раскрытия их в основном не превышала 1,5 см.

 

Усадочные трещины можно рассматривать как частный случай замкнутой воздушной прослойки толщиной 0,12 м, но малого поперечного сечения. Наряду с уменьшением общего сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции можно предположить что благодаря такой геометрии трещины, передача теплоты конвекцией и излучением в ней достаточно ограничена, что позволяет сохранить температуру внутренней поверхности конструкции выше точки росы и избежать промерзаний. Вероятно, этим объясняется отсутствие рекламаций с других аналогичных объектов, где отсутствует возможность визуально наблюдать результат заливки.

 

При производстве пеноизола в виде плит минимальные усадочные деформации (в пределах 2—3% по линейным размерам) и внутренние напряжения возникают при температуре 20оС и влажности 50—60%. При этом нужно обеспечить равномерное высыхание всех граней плиты, чтобы предотвратить коробление. Эксперименты с принудительной сушкой (температура 50оС, влажность 20—30%) показали, что даже в плитах небольшого формата (60×100 см) возникали внутренние напряжения, которые приводили к появлению трещин. В лабораторных условиях сушки при температуре 80оС до постоянной массы усадка годовалых образцов пено-изола плотностью 15 кг/м3 и влажностью 13 мас. % составила 4% по линейным размерам.

 

Осторожно следует применять плиты пеноизола в трехслойных железобетонных панелях. Для эксперимента было собрано несколько панелей с теплоизоляционным слоем из плит плотностью 15 кг/м3 и влажностью 20 мас. %. При вскрытии панелей на выходе из пропарочной камеры обнаружилась усадка по линейным размерам порядка 5%, при этом влажность пеноизола была значительно выше сорбционной. Следовательно, усадочные деформации еще будут увеличиваться в процессе эксплуатации панелей.

 

Причины образования усадочных трещин

 

Воздушно-механический способ пенообразования требует применения сильно разбавленных водой полимерных систем. Удаление воды вместе с другими низкомолекулярными продуктами при отверждении и высыхании пенокомпозиции сопровождается развитием существенных усадочных деформаций и внутренних напряжений в структурных элементах пенопласта. При достижении усадочными напряжениями значений, сопоставимых с прочностью пенополимера, происходит образование усадочных трещин. Можно предположить, что размер усадочных трещин в основном зависит от плотности, прочности пенопласта и кинетики сушки.

 

У карбамидных пенопластов низкой плотности работа материала зависит в большей степени от структурных параметров, чем от механических характеристик полимерной основы. С увеличением плотности изменяются геометрические параметры элементов ячеек, повышается их регулярность и возрастает жесткость структурного каркаса. При этом важно, что отверждение полимерной основы пеноизола и соответственно набор прочности продолжаются в течение нескольких недель. Кроме этого необходимо учесть, что прочностные характеристики полимерной основы карбамидных пенопластов при растяжении в три раза ниже, чем при сжатии — 8,4 МПа против 24,9 МПа [1].

 

Анализ данных, приведенных в литературе [2], и натурных наблюдений свидетельствует о том, что величина усадочных деформаций и внутренних напряжений находится в непосредственной зависимости от скорости изменения количества влаги в материале и его плотности и возрастает по мере удаления влаги.

 

Следовательно, для предотвращения появления усадочных трещин нужно выбирать режимы сушки, при которых динамика набора прочности будет опережать динамику накопления внутренних напряжений (см. рисунок).

 

sm05_04-11

 

Структура карбамидных пен, полученных воздушно-механическим способом, образована исключительно открытыми ячейками, содержание которых достигает 98%. Процесс испарения влаги идет весьма интенсивно даже в закрытых формах. По этой причине повлиять на режим сушки при заливке пеноизола в готовую конструкцию достаточно сложно. Уменьшить усадочные деформации можно только путем увеличения плотности пеноизола, что ведет к увеличению себестоимости теплоизоляции.

 

При производстве пеноизола в виде плит требуется осуществлять достаточно жесткий контроль влажности материала перед отправкой на строительную площадку. Бывает, что сухие при визуальной оценке плиты дают усадку внутри конструкции. Поэтому влажность плит должна быть близка к 20—25 мас. %, что соответствует сорбционной влажности пеноизола при v = 80%. Примерно такой сорбционной влажности соответствует влажность материалов в ограждающей конструкции по данным расчетов и натурных обследований.

 

Материалы Технониколь также поддерживают необходимый уровень влажности. При их применении усадка несущественна.

 

Экономическое обоснование применения пеноизола

 

Представляется актуальным изучение вопроса об экономической целесообразности применения пеноизола для утепления ограждающих конструкций. Согласно недавним публикациям единовременные затраты на утепление ограждающих конструкций могут не окупаться. Обусловлено это высокими учетными ставками на банковский кредит, низкой стоимостью тепловой энергии и дороговизной качественных теплоизоляционных материалов в России. Утепление ограждающей конструкции окупится согласно предложенной методике проверки экономической целесообразности [3] при выполнении следующего неравенства:

где АК — единовременные затраты на дополнительное утепление конструкции, USD/м2; Ак — разность коэффициентов теплопередачи до и после утепления ограждающей конструкции, Вт/(м2оС);

Ro>1 и Ro2 — сопротивления теплопередаче до и после утепления ограждающей конструкции соответственно, (м2оС)/Вт; ω — предельное значение для удельных единовременных затрат, при которых они окупаются, (USD/м2)/(Bт/(м2оC)).

 

Согласно [4] предельное значение удельных единовременных затрат зависит от экономических и климатических показателей региона, в котором расположено здание:

ω = 0,024-ГСОП-Ст/(р/100), (3)

где 0,024 — переводной коэффициент, кВт-ч/(Вт-сут); ГСОП — градусо-сутки отопительного периода, определяемые согласно [4], оСсут/год; Ст — стоимость тепловой энергии, USD/^B^); р — фиксированная годовая процентная ставка за банковский кредит, % в год.

 

Для Нижнего Новгорода характеристики, входящие в (3), составляют:

  • ГСОП = 4770 оС-сут/год;
  • стоимость тепловой энергии Cт 0,009 USD/(кВт⋅ч)*;
  • учетная ставка по банковским кредитам принимается равной ставке рефинансирования ЦБ РФ 16%. 

 

Предельное значение удельных единовременных затрат для Нижнего Новгорода составляет:

ω= 0,024-4770-0,009/(16/100) = 6,44 (USD/м2)/(Bт/(м2оC)).

 

Таким образом, для Нижнего Новгорода критерий окупаемости затрат на утепление ограждающих конструкций зданий (1) принимает вид:

05_3

 

В рассматриваемом случае утепления ограждающий конструкции здания путем заливки пеноизола плотностью 10—15 кг/м3 в межстекольное пространство толщиной 0,12 м разность коэффициентов теплопередачи (2) до и после утепления составляет, Вт/(м2оС):

05_4

 

Здесь сопротивление теплопередаче ограждения до утепления равно сопротивлению теплопередаче заполнения светопроема в стальных переплетах с двойным остеклением Ro1 = 0,34 (м2оС/Вт). Сопротивление теплопередаче ограждения после утепления принято равным термическому сопротивлению слоя пеноизола, то есть Ro2 = 0,12/0,042 = 2,85 (м2оС/Вт). Расчетная теплопроводность пеноизола принята равной 0,042 Вт/(м2оС).

 

Единовременные затраты на утепление ограждения равны стоимости материала и работы и составили 3,2 USD/м2.

 

Таким образом, критерий окупаемости (4) принимает вид:

3,2<6,44-2,59, или 3,2<16,68.

 

Выполнение этого неравенства свидетельствует об окупаемости единовременных затрат на дополнительное утепление рассмотренного производственного помещения. Следовательно, можно рассчитать прибыль от снижения теплопотерь вследствие утепления ограждения.

 

Ежегодная прибыль за счет снижения затрат на отопление на 1 м2 ограждения, ДЭ, определяется по формуле:

ΔЭ = 0,024-ГСОП-Δk⋅Cm. (5)

Подстановка в эту формулу значений используемых параметров дает:

ΔЭ = 0,024⋅4770⋅2,59⋅0,009 = 2,67 USD/(м2⋅год).

Период окупаемости единовременных затрат определяется по формуле

Т0 = 1п[1/(1-(ДК/ДЭ)-(р/100))]/П(1+р/100). (6)

Расчет по формуле (5) дает

Т0 = /п[1/(1-3,2/2,67)(16/100)]//п(1+16/100) = 1,43 года.

По формуле (5) можно рассчитывать период окупаемости единовременных затрат без учета процентной ставки по кредиту банка, это соответствует случаю р→0. При этом период окупаемости единовременных капиталовложений составит:

Т0 = ДК/ДЭ = 3,2/2,67 = 1,2 года.

 

Выплаты процентов по кредиту слабо влияют на продолжительность периода окупаемости. Это объясняется низкой себестоимостью утепления пеноизолом. Таким образом, выполненное утепление ограждений полностью окупится через 1,5 года, после чего оно будет приносить прибыль при условии, что долговечность утеплителя превышает 1,5 года.

 

Экономической характеристикой теплоизоляционного материала является комплексный параметр «стоимость — теплопроводность» Сутут [4]. Чем меньше значение этого параметра, тем экономически выгоднее его применение для утепления здания. Для пеноизола Сутут = USD•Вт/(м2оС). Низкое значение СутХут для пеноизола делает его применение экономически выгодным даже с учетом высоких ставок на банковский кредит и низких цен на тепловую энергию.

 

В связи с вышеизложенным представляют интерес исследования кинетики удаления влаги при высыхании, а также дальнейшее совершенствование состава смеси и технологии производства, способствующее повышению формостабильности карбамидоформальдегидных пенопластов, полученных воздушно-механическим способом.

 

Очевидно, что в условиях рынка любые изменения в технологии изготовления пеноизола должны рассматриваться и с позиции экономической целесообразности. Увеличение плотности и жесткое соблюдение режимов сушки вызывает увеличение себестоимости пенопласта. Но на основании приведенного выше расчета экономических характеристик применения пеноизола можно отметить, что резервы для такого увеличения есть.

 

Список литературы

  1. Гурьев В.В., Жолудов В.С., Петров-Денисов В.Г. Тепловая изоляция в промышленности. Теория и расчет. М.: Стройиздат. 2003. 415 с.
  2. Дмитриев А.Н. Управление энергосберегающими инновациями. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2001. 314 с.
  3. Гагарин В.Г. Экономические аспекты повышения теплозащиты ограждающих конструкций зданий в условиях рыночной экономики. // Светопрозрачные конструкции. 2002. № 3. С. 2—5; № 4. С. 50—58.
  4. СНиП II-3—79*. Строительная теплотехника.

 

* Отчеты о деятельности РАО «ЕЭС России» представлены на сервере по адресу: http://www.eesros.elektra.ru.


Статья взята из журнала «Строительные материалы»