РОЗРАХУНОК U-VALUE У СТІНІ CLT + УТЕПЛЮВАЧ

Коефіцієнт теплопередачі, або U-value (Вт/(м²·К)), є ключовим показником енергоефективності будівельних конструкцій. Він характеризує кількість теплоти, що проходить через 1 м² огороджувальної конструкції при різниці температур повітря по обидва боки в 1 Кельвін. Низьке значення U-value свідчить про високу теплоізоляційну здатність матеріалу або багатошарової конструкції, що прямо впливає на споживання енергії для опалення та кондиціонування.

Для CLT-панелей, які є масивним дерев’яним конструкційним матеріалом, U-value має особливе значення. Хоча деревина сама по собі є відносно добрим ізолятором порівняно з бетоном чи металом, товщина стандартних CLT-панелей (наприклад, 100-200 мм) зазвичай недостатня для досягнення сучасних нормативних вимог щодо енергоефективності без додаткового утеплення. Типове U-значення для голої CLT-панелі товщиною 100 мм становить приблизно 1.0 Вт/(м²·К), а для 200 мм — близько 0.5 Вт/(м²·К). Ці показники значно перевищують допустимі згідно з ДБН В.2.6-31:2016 для зовнішніх стін житлових будинків в Україні, які вимагають U ≤ 0.28 Вт/(м²·К) для першої температурної зони. Це підкреслює необхідність інтеграції високоефективного утеплювача в конструкцію стіни з CLT.

Правильний розрахунок та оптимізація U-value дозволяє не тільки відповідати будівельним нормам, а й значно скоротити експлуатаційні витрати, підвищити комфорт перебування в приміщенні та зменшити викиди CO₂, сприяючи концепції будівель з нульовим споживанням енергії (ZEB). Таким чином, U-value стає не просто технічним параметром, а показником сталості та економічної доцільності проєкту.

Для досягнення бажаного U-value, інженери та архітектори повинні ретельно підбирати матеріали та їх товщини, враховуючи коефіцієнти теплопровідності (λ, Вт/(м·К)) кожного шару. λ-значення є внутрішньою властивістю матеріалу, тоді як U-value – це характеристика всієї конструкції. Чим менше λ, тим кращі ізоляційні властивості матеріалу. Наприклад, для мінеральної вати λ може становити 0.035 Вт/(м·К), для пінополістиролу (EPS) – 0.038 Вт/(м·К), а для деревини – 0.13 Вт/(м·К) у поперечному напрямку волокон. Розуміння цих базових принципів є першим кроком до успішного проєктування енергоефективних CLT-конструкцій.

Комплексний підхід до розрахунку U-value також передбачає врахування не лише стаціонарного теплопередачі, а й динамічних факторів, таких як теплоємність матеріалів, що може впливати на комфорт влітку та стабільність температури взимку. Однак для більшості нормативних розрахунків використовується саме стаціонарний U-value, що дозволяє уніфікувати підходи та порівнювати різні конструкційні рішення.

CLT (Cross-Laminated Timber) панелі, виготовлені з кількох шарів пиломатеріалів, склеєних взаємно перпендикулярно, відрізняються високою міцністю та стабільністю. Їхня структура забезпечує відмінні механічні властивості, але з точки зору теплотехніки, вони вимагають ретельного аналізу. Коефіцієнт теплопровідності (λ) для деревини хвойних порід, з якої зазвичай виготовляють CLT, становить приблизно 0.13 Вт/(м·К) для сухого матеріалу (вологість 12%). При розрахунках важливо враховувати вплив вологості, оскільки підвищення вологості деревини збільшує її теплопровідність. Наприклад, при вологості 20% λ може зрости до 0.15-0.16 Вт/(м·К).

Розрахунок термічного опору (R, м²·К/Вт) окремого шару CLT здійснюється за формулою R = d / λ, де d — товщина шару в метрах. Для CLT-панелі товщиною 160 мм (0.16 м) з λ = 0.13 Вт/(м·К), R = 0.16 / 0.13 ≈ 1.23 м²·К/Вт. Цей показник, хоч і значний для масивного матеріалу, все ще не відповідає нормативним вимогам для зовнішніх стін без додаткового утеплення. Загальний опір теплопередачі стіни складається з термічного опору всіх шарів та опорів теплопередачі зовнішньої (R_зовн) та внутрішньої (R_вн) поверхонь.

Згідно з ДБН В.2.6-31:2016, R_вн приймається 0.11 м²·К/Вт, а R_зовн – 0.04 м²·К/Вт для вертикальних поверхонь. Таким чином, для «голої» CLT-панелі товщиною 160 мм, загальний термічний опір R_заг = 0.11 + 1.23 + 0.04 = 1.38 м²·К/Вт. Відповідно, U-value = 1 / R_заг = 1 / 1.38 ≈ 0.72 Вт/(м²·К), що значно вище за нормативні 0.28 Вт/(м²·К) для першої температурної зони України. Це підкреслює ключову роль додаткового утеплення у досягненні необхідної енергоефективності. Сучасне CLT-будівництво часто інтегрується з іншими інженерними системами, такими як система вентиляції з рекуперацією тепла, для комплексного покращення клімату в приміщенні та зниження енерговитрат.

Важливо також враховувати теплоємність деревини, яка може сприяти стабілізації внутрішньої температури, зменшуючи амплітуду добових коливань. Проте цей ефект не відображається безпосередньо в статичному розрахунку U-value. Також слід пам’ятати, що властивості деревини можуть дещо змінюватися залежно від породи, щільності та специфіки виробництва CLT. Тому для точних розрахунків завжди рекомендується використовувати дані від конкретного виробника CLT-панелей. Відповідність CLT-панелей європейським стандартам EN 16351 гарантує певну стабільність їхніх фізико-механічних властивостей, включаючи теплопровідність.

Вибір утеплювача для стін з CLT є критичним етапом, що впливає на кінцевий U-value конструкції, вартість проєкту, довговічність та інші експлуатаційні характеристики. На ринку представлено кілька основних типів матеріалів, кожен з яких має свої особливості:

1. Мінеральна вата (кам’яна або скловата):
– λ-значення: 0.032 – 0.045 Вт/(м·К). Одна з найпопулярніших завдяки високим теплоізоляційним властивостям, негорючості (клас А1 за EN 13501-1) та гарним акустичним характеристикам. Мінеральна вата є паропроникною, що важливо для «дихаючих» дерев’яних конструкцій. Товщина 150-200 мм зазвичай достатня для досягнення нормативних U-value. Вимагає захисту від вологи.

2. Пінополіуретан (PIR-плити):
– λ-значення: 0.022 – 0.028 Вт/(м·К). Має найнижчий коефіцієнт теплопровідності серед поширених утеплювачів, що дозволяє зменшити товщину ізоляційного шару. PIR-плити мають високу міцність на стиск, низьке водопоглинання та є вогнестійкими (наприклад, клас B-s1, d0 за EN 13501-1). Вони є паронепроникними, тому вимагають ретельного проєктування пароізоляційного шару та вентиляційного прошарку для уникнення конденсації.

3. Екструдований пінополістирол (XPS):
– λ-значення: 0.029 – 0.034 Вт/(м·К). Характеризується високою міцністю, стійкістю до вологи та морозу. Застосовується переважно для цокольних частин стін, фундаментів. Має обмежену паропроникність. Менш популярний для зовнішніх стін CLT через свою структуру та меншу паропроникність порівняно з мінеральною ватою.

4. Експандований пінополістирол (EPS або пінопласт):
– λ-значення: 0.035 – 0.045 Вт/(м·К). Економічний варіант, але має нижчу щільність, механічну міцність та паропроникність порівняно з мінеральною ватою та PIR. Потребує додаткового захисту від гризунів. Менш бажаний для високоякісних CLT-конструкцій.

5. Деревне волокно:
– λ-значення: 0.038 – 0.045 Вт/(м·К). Екологічно чистий матеріал з хорошою теплоємністю, що сприяє стабілізації температури в приміщенні. Паропроникний, забезпечує комфортний мікроклімат. Має відмінні акустичні властивості. Дещо дорожчий за традиційні утеплювачі, але ідеально підходить для дерев’яних конструкцій.

При виборі утеплювача важливо враховувати не тільки λ-значення, а й механічну міцність, вогнестійкість, вологостійкість, паропроникність та довговічність. Для CLT-стін зовнішнє утеплення зазвичай монтується на фасадній системі, часто з вентильованим прошарком, що дозволяє ефективно відводити вологу та забезпечує додатковий захист конструкції.

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі (U-value) для багатошарової огороджувальної конструкції є стандартизованою процедурою, описаною у міжнародному стандарті EN ISO 6946 ‘Building components and building elements – Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method’. Цей стандарт встановлює метод розрахунку термічного опору (R_T) та U-value для плоских будівельних елементів, що складаються з однорідних і неоднорідних шарів.

Крок 1: Визначення коефіцієнтів теплопровідності (λ) та товщини (d) кожного шару.
Для кожного матеріалу, що входить до складу стіни, необхідно знайти його λ-значення (Вт/(м·К)) та виміряти товщину d (м). Важливо використовувати стандартизовані або лабораторно підтверджені значення λ для експлуатаційних умов (наприклад, з урахуванням вологості).

Крок 2: Розрахунок термічного опору (R) для кожного шару.
Термічний опір R_i кожного i-го шару обчислюється за формулою: R_i = d_i / λ_i (м²·К/Вт).

Крок 3: Врахування опорів теплопередачі поверхонь.
Стандарт EN ISO 6946 (та ДБН В.2.6-31:2016) передбачає опори теплопередачі внутрішньої (R_si) та зовнішньої (R_se) поверхонь огороджувальної конструкції, що враховують конвективний та променевий теплообмін.
Для вертикальних стін зазвичай приймаються:
– R_si = 0.13 м²·К/Вт (для Європи, в Україні ДБН В.2.6-31:2016 встановлює R_si = 0.11 м²·К/Вт)
– R_se = 0.04 м²·К/Вт

Крок 4: Розрахунок загального термічного опору (R_T).
Загальний термічний опір конструкції є сумою термічних опорів усіх шарів та опорів теплопередачі поверхонь:
R_T = R_si + R_1 + R_2 + … + R_n + R_se. (м²·К/Вт)

Крок 5: Розрахунок коефіцієнта теплопередачі (U-value).
U-value є величиною, оберненою загальному термічному опору:
U = 1 / R_T (Вт/(м²·К)).

Важливі нюанси:
– Повітряні прошарки: Якщо конструкція має невентильований повітряний прошарок, його термічний опір R_air враховується окремо. Для вентильованих прошарків, особливо зовнішніх, вони можуть не враховуватися в розрахунку R_T, оскільки повітря там активно циркулює. EN ISO 6946 містить таблиці для визначення R_air залежно від товщини, орієнтації та теплового потоку. Наприклад, для невентильованого повітряного прошарку 20 мм горизонтально R_air ≈ 0.17 м²·К/Вт.

– Неоднорідні шари: Якщо шар складається з матеріалів з різними λ-значеннями (наприклад, стійки каркасу та утеплювач між ними), стандарт пропонує методи усереднення або використання програмного забезпечення для двовимірного розрахунку термічних мостів. Для орієнтовних розрахунків можна використовувати метод паралельних шляхів або простий метод усереднення для кожного однорідного сегмента, що пронизує неоднорідний шар.

Дотримання цієї методології забезпечує точність розрахунків та відповідність проєкту енергоефективним стандартам, сприяючи створенню модульних будівель та інших конструкцій з оптимальними теплотехнічними характеристиками.

Розглянемо практичний приклад розрахунку U-value для зовнішньої стіни з CLT та зовнішнім утепленням, яка відповідає нормам ДБН В.2.6-31:2016 для першої температурної зони України (U_норма ≤ 0.28 Вт/(м²·К)).

Конструкція стіни (зовні досередини):

1. Зовнішнє оздоблення: Фасадна штукатурка по сітці (цементно-піщана), товщина 10 мм. (λ = 0.93 Вт/(м·К)).
2. Вентильований повітряний прошарок: 30 мм (для вентильованих фасадів зазвичай не враховується в R_T, але забезпечує відведення вологи).
3. Утеплювач: Мінеральна вата щільністю 80 кг/м³, товщина 200 мм. (λ = 0.035 Вт/(м·К)).
4. Вітрозахисна мембрана: (Термічним опором нехтуємо).
5. CLT-панель: Товщина 160 мм. (λ = 0.13 Вт/(м·К)).
6. Внутрішнє оздоблення: Гіпсокартонна плита, товщина 12.5 мм. (λ = 0.21 Вт/(м·К)).

Крок 1: Визначення термічних опорів шарів (R_i):

• R_штукатурка: 0.010 м / 0.93 Вт/(м·К) ≈ 0.011 м²·К/Вт
• R_мін. вата: 0.200 м / 0.035 Вт/(м·К) ≈ 5.714 м²·К/Вт
• R_CLT: 0.160 м / 0.13 Вт/(м·К) ≈ 1.231 м²·К/Вт
• R_гіпсокартон: 0.0125 м / 0.21 Вт/(м·К) ≈ 0.060 м²·К/Вт

Крок 2: Врахування опорів поверхонь (згідно з ДБН В.2.6-31:2016 для України):

• R_si (внутрішня поверхня) = 0.11 м²·К/Вт
• R_se (зовнішня поверхня) = 0.04 м²·К/Вт

Крок 3: Розрахунок загального термічного опору (R_T):
R_T = R_si + R_гіпсокартон + R_CLT + R_мін. вата + R_штукатурка + R_se
R_T = 0.11 + 0.060 + 1.231 + 5.714 + 0.011 + 0.04 = 7.166 м²·К/Вт

Крок 4: Розрахунок U-value:
U = 1 / R_T = 1 / 7.166 ≈ 0.139 Вт/(м²·К)

Висновок: Розрахований U-value 0.139 Вт/(м²·К) значно нижчий за нормативні 0.28 Вт/(м²·К) для зовнішніх стін у першій температурній зоні України. Це свідчить про високу енергоефективність запропонованої конструкції. Такий детальний розбір допомагає уникнути типових помилок при будівництві та забезпечити оптимальні показники теплозбереження.

Цей приклад демонструє, що CLT-панелі в поєднанні з ефективним утеплювачем можуть створювати огороджувальні конструкції, що відповідають найсучаснішим вимогам до енергоефективності. Проте, при цьому важливо враховувати й інші фактори, такі як термічні мости та повітронепроникність, про які ми детальніше розповімо у наступних розділах.

Теоретичний U-value, розрахований за стандартом EN ISO 6946, надає цінну інформацію про теплотехнічні характеристики ідеальної, однорідної конструкції. Однак на реальну енергоефективність будівлі суттєво впливають два фактори: термічні мости та повітронепроникність.

Термічні мости (лінійні та точкові): Це ділянки в огороджувальних конструкціях, де опір теплопередачі значно нижчий, ніж у прилеглих ділянок. Вони виникають у місцях з’єднань різних матеріалів, конструктивних елементів (кути, стики стін, віконні та дверні прорізи, місця кріплення балконів, ригелів, фундаменту). Через термічні мости відбувається інтенсивний відтік тепла, що призводить до збільшення загальних тепловтрат будівлі. Їх вплив на загальний U-value конструкції оцінюється за допомогою лінійних (ψ, Вт/(м·К)) та точкових (χ, Вт/К) коефіцієнтів теплопередачі. Для точного врахування термічних мостів необхідно проводити дво- або тривимірні розрахунки за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, такого як WUFI або THERM, або використовувати стандартизовані бібліотеки типових вузлів. Згідно з EN ISO 10211, для проєктування з високою енергоефективністю, вплив термічних мостів не має перевищувати 5-10% від загальних тепловтрат через огороджувальні конструкції.

Повітронепроникність (n50): Цей показник характеризує герметичність будівлі і вимірюється в об’ємах повітря, що проходять через оболонку будівлі за годину при різниці тисків у 50 Па (h⁻¹). Висока повітронепроникність (низьке значення n50) є критичною для мінімізації конвективних тепловтрат. Навіть ідеально розрахований U-value буде скомпрометований, якщо повітря вільно проникає через щілини та негерметичні з’єднання, виносячи з собою тепло. Для будинків з CLT, особливо при використанні вентильованих фасадів, належна герметизація зовнішнього контуру будівлі має першочергове значення. Нормативні вимоги для енергоефективних будівель, таких як Passive House, встановлюють n50 ≤ 0.6 h⁻¹. Для звичайних будівель цей показник може бути вищим, наприклад, n50 ≤ 3.0 h⁻¹ для будівель без примусової вентиляції або n50 ≤ 1.5 h⁻¹ для будівель з примусовою вентиляцією, згідно з DIN 4108-7. Контроль повітронепроникності здійснюється за допомогою Blower Door Test. Проєктування будівель з CLT надає можливість досягти високих показників повітронепроникності завдяки великим розмірам панелей і мінімальній кількості стиків, але вимагає ретельної герметизації всіх з’єднань.

Таким чином, для забезпечення фактичної енергоефективності будівлі, окрім точного розрахунку U-value, необхідно приділяти значну увагу деталям проєктування та монтажу для мінімізації термічних мостів та забезпечення високої повітронепроникності оболонки.

В Україні вимоги до теплової ізоляції будівель регламентуються державними будівельними нормами ДБН В.2.6-31:2016 ‘Теплова ізоляція будівель’. Цей документ встановлює нормативні значення опору теплопередачі (R_req, м²·К/Вт) для огороджувальних конструкцій, які є оберненою величиною до максимально допустимого U-value.

Згідно з ДБН В.2.6-31:2016, Україна поділена на дві температурні зони:

• Зона 1: Включає більшість території України (Київ, Харків, Одеса, Львів тощо). Для зовнішніх стін житлових та громадських будівель R_req ≥ 3.3 м²·К/Вт. Це означає, що максимально допустимий U-value не повинен перевищувати 1 / 3.3 ≈ 0.30 Вт/(м²·К). Однак, для нових будівель та капітального ремонту рекомендується досягати вищих показників, близьких до класу енергоефективності A, де U-value може бути нижчим за 0.25 Вт/(м²·К).
• Зона 2: Охоплює південні регіони (Крим, Херсонська, Миколаївська області), де клімат м’якший. Для зовнішніх стін R_req ≥ 2.8 м²·К/Вт, що відповідає U ≤ 0.36 Вт/(м²·К).

Ці норми є мінімальними, і сучасні проєкти, спрямовані на високу енергоефективність, такі як A-Frame будинки або інші низькоенергетичні споруди, часто перевищують їх. Для зовнішніх стін з CLT, як показано в розділі про практичний розрахунок, без додаткового утеплення досягти цих значень практично неможливо. Наприклад, для CLT товщиною 160 мм U-value становить близько 0.72 Вт/(м²·К), що в 2.4 рази гірше за вимоги Зони 1.

Таким чином, інтеграція ефективного утеплювача (наприклад, 150-200 мм мінеральної вати або 100-150 мм PIR-плит) є обов’язковою для CLT-стін в Україні. Це дозволяє не тільки відповідати мінімальним вимогам ДБН, а й створювати будівлі з значно вищим рівнем енергоефективності, що забезпечить комфорт мешканців та економію на опаленні протягом усього терміну експлуатації. Важливо також враховувати коефіцієнти тепловтрат через термічні мости, які ДБН також регламентує, хоча і не так детально, як EN ISO стандарти. Розрахункові показники U-value для проєктів повинні бути підтверджені енергетичним паспортом будівлі, який є обов’язковим документом.

Досягнення оптимальної теплотехнічної ефективності в будівлях з CLT вимагає не лише точних розрахунків, але й застосування інноваційних підходів та суворого контролю якості на всіх етапах будівництва. Сучасне проєктування виходить за рамки простого виконання нормативів, орієнтуючись на стандарти, такі як Passive House, які вимагають U-value для зовнішніх стін менше 0.15 Вт/(м²·К).

1. Інтеграція високоефективних утеплювачів: Використання PIR-плит або вакуумних панелей замість стандартної мінеральної вати дозволяє значно зменшити товщину ізоляції при збереженні або навіть підвищенні теплового опору. Це особливо актуально для міської забудови, де важлива оптимізація зовнішніх розмірів будівлі.

2. Мінімалізація термічних мостів: Ретельне проєктування вузлів з’єднань, використання теплоізоляційних прокладок, інтегровані віконні рами та спеціалізовані кріпильні елементи з низькою теплопровідністю є критично важливими. Застосування BIM-моделювання дозволяє виявляти потенційні термічні мости ще на етапі проєктування та оптимізувати їх конструкцію. Наприклад, для кріплення важких фасадних систем можуть використовуватися спеціальні консолі з композитних матеріалів, що мають низьке λ.

3. Забезпечення повітронепроникності: Використання якісних пароізоляційних та вітрозахисних мембран, герметизаційних стрічок для всіх стиків CLT-панелей та проходок інженерних мереж є обов’язковим. CLT-панелі за своєю природою вже є досить герметичними, проте шви між панелями та примикання до інших конструкцій потребують особливої уваги. Blower Door Test є обов’язковим інструментом для контролю повітронепроникності готової будівлі.

4. Синергія інженерних систем: Інтеграція ефективних систем вентиляції з рекуперацією тепла (MVHR), теплових насосів та сонячних колекторів дозволяє додатково зменшити енергоспоживання. Проєктування цих систем має відбуватися паралельно з розрахунком теплової оболонки для досягнення максимальної синергії.

5. Контроль якості на будівельному майданчику: Регулярний візуальний контроль, перевірка товщини утеплювача та відсутності щілин, а також проведення термовізійного обстеження після завершення будівництва дозволяють виявити та усунути потенційні дефекти, які можуть знизити фактичну енергоефективність. Термовізійне обстеження, проведене в холодну пору року, чітко показує ділянки з підвищеними тепловтратами.

Ці заходи не лише забезпечують відповідність нормативам, а й створюють будівлі, що є прикладом сталості, комфорту та низьких експлуатаційних витрат, що є трендом сучасних енергоефективних технологій.