Краткая история SIP (Structural Insulated Panel – SIP)
Перевод книги Майкла Морли по истории канадской технологии строительства
Самые ранние образцы многослойных панелей можно найти в домах компании Usonian, разработанных Франком Ллойдом Райтом в 1930-е годы. Эти новаторские структуры представляли собой попытку Райта разработать красивые, простые в изготовлении и в то же время дешевые дома. Некоторые из стен этих домов состояли из трех слоев клееной фанеры и двух слоев толя в качестве конструкционных элементов. К сожалению, эти стены не обеспечивали хорошую изоляцию, вследствие чего они не производились в больших объемах.
Альден Б. Дау, студент архитектурного факультета, учившийся и Райта, и брат основателя компании Dow Chemical Co. продолжил эксперименты с этими технологиями. Руководствуясь соображениями экономии энергии и сокращением имеющихся ресурсов, Дау обеспокоился плохой изоляцией в проектах Usonian. В 1950 году он разработал конструкционную панель с изоляционным внутренним слоем, что явилось предпосылкой производства первых конструкционных теплоизоляционных панелей. Первые свои дома он построил в Мидленде и Мичигане, использовав панели, содержащие внутренний 1,5-дюймовый слой из пенопласта и внешние слои толщиной 5/16 дюйма из клееной фанеры для несущих стен. Такие же панели устанавливались на каркасе крыши на 42-дюймовых балках. Некоторые из этих домов используются под жилье и сегодня.
Я начал работать с SIP значительно позже этих ранних экспериментов, когда появились уже более продвинутые технологии производства строительных материалов. Первая попытка производства была предпринята в 1959 году, когда компания Koppers Company переоборудовала завод автомобильной продукции в Детройте в завод по производству SIP. Метод производства Kopper включал в себя вдувание пенопласта между двумя листами клееной фанеры и последующим соединением его при помощи пара с внешними слоями и получения цельной несущей структуры.
Процесс компании Kopper был медленным, но ранние дома из SIP встретили неожиданное сопротивление профсоюзов плотников на Севере. Из опасения того, что дома из SIP будут возводиться так быстро, что они потеряют работу, союзы преднамеренно затягивали процесс строительства, и вместо обычных двух дней на Юге в северных штатах он занимал по меньше мере вдвое большее время.
В этот период недорогой энергии и рабочей силы панели не были конкурентоспособными на рынке, поэтому компания Kopper перестала заниматься данным бизнесом и занялась системами охлаждения.
В начале 1960-х годов на рынок вышла компания Alside Hoe Program со своими SIP, сделав значительные улучшения, которые сократили время производства одной панели от нескольких часов до 20 минут. Но через несколько лет производства и постройки немногим менее 100 домов из SIP эта компания также была вытеснена с рынка из-за отсутствия спроса. Это продолжалось до середины 1980-х, пока многие производители не начали производить SIP, удовлетворяющие ожидаемым потребностям заказчика.
Почему именно теперь?
Почему панелям из SIP понадобилось столько времени для "взросления"? В промышленных технологиях непременно имеется задержка между изобретением, началом производства продукции и ее признанием в серийной промышленности, причем эта задержка может составлять несколько лет. Вначале никто ничего не знает о новом продукте. Имеются различные причины этой задержки. Недостаток данных о продукте вызывает сомнения относительно его безопасности и надежности. Во-вторых, пользователи и потенциальные потребители не имеют легкого доступа к информации об этой новой продукции.
Всеобщее сопротивление изменениям указывает на то, что даже самой лучшей продукции необходимо время для того, чтобы ее приняли. Этот период приемки также позволяет выявить проблемы, связанные с новыми технологиями и с производством. Надежность SIP как одного из основных строительных материалов выяснилась при широкомасштабных промышленных испытаниях и принятия новых строительных норм. Американцы стали более осведомленными относительно всеобщих экологических проблем и экологически безопасные строительные материалы и стратегии все более принимаются во внимание при проектировании рациональных зданий и жилищ. Панели SIP, являющиеся нужным материалом в нужном месте в нужное время, оказались краеугольным камнем в новом подходе к конструированию зданий, в которых мы живем и работаем.
Почему нужно строить SIP?
Внешняя оболочка здания создает барьер с внешней средой, что служит для обеспечения комфорта обитателей. Для формирования этой оболочки могут использоваться многие материалы, но ни один из них не может обеспечить такое энергосбережение, такую экономичность и такую конструктивную гибкость как SIP. Технология систем SIP предлагает ряд преимуществ в сравнении с обычными методами каркасного строительства. Ниже приводится обзор некоторых из этих преимуществ; более подробно они будут рассмотрены в последующих главах.
Структуры SIP более прочные
Структурная целостность строений из SIP существенно превышает аналогичный параметр обычных каркасных домов в отношении сопротивления сдвигу, сопротивления изгибу, сопротивления сжатию и устойчивости при воздействии порывистого ветра. SIP были подвергнуты всестороннему тестированию независимыми экспертами. Все основные производители более чем счастливы, если их продукция попадает в Национальные оценочные отчеты (National Evaluation Reports - NER), издаваемые Национальной службой оценок (National Evaluation Service Inc.) для служб стандартизации BOCA, ICBO и SBCCI.
Очевидность преимуществ SIP можно найти в реальном окружающем мире, в тех местах, где дома из SIP подвергались землетрясениям и ураганам и остались неразрушенными, а каркасные дома из брусьев были разрушены. Например, в 1993 году землетрясение в Кобе (Япония) опустошило значительную часть этого города, но дома из панелей SIP, построенные компанией Preier Industries, остались практически неповрежденными. В последние годы производители SIP сильно увеличили объемы своих продаж в Японии, в значительной мере благодаря структурной целостности систем SIP.
В другом случае дом из SIP оказался на пути торнадо, бушевавшем в Клермоне, Джорджия в марте 1998. Торнадо разрушил 27 домов, включая 7 домов, находящихся вблизи дома из SIP. Несмотря на то, что владелец дома потерял в этом шторме 25 взрослых деревьев и половину кровельной плитки, дом не получил повреждений структуры. Нетрудно догадаться, что соседи при восстановлении своих домов выбрали панели SIP.
Конструкции SIP имеют лучшие термодинамические характеристики
В течение многих лет проводились сравнения домов с каркасами из бруса с домами из SIP, при этом были получены различные результаты, которые зависели от того, как проводились испытания и от использованных методов. Например, в 1998 году компанией Oak Ridge National Laboratory, находящейся в Oak Rige, штат Теннесси были произведены испытания стен различных конфигураций. Результаты показали, что стены из SIP с внутренним слоем из EPS толщиной 3,5 дюйма имели изоляцию на 31% лучше, чем стены обычных каркасных домов из бруса 2х4 с изоляцией из стекловолокна. Стены из SIP с внутренним слоем 3,5 дюйма оказались даже лучше, чем обычные каркасные стены 2х6 со стекловолоконной изоляцией. В связи с ростом цен на энергоносители расходы на энергию в последнее время продолжают расти, а значение энергосберегающих строений из SIP продолжает увеличиваться.
Строения SIP возводятся быстрее
Более быстрое возведение строений из SIP может сэкономить от одной до четырех недель в строительном цикле. Это может оказаться важным фактором в местах с затрудненным доступом, а также в тех случаях, когда плохая погода ограничивает время проведения работ. Подразделение Energy Studies строительной лаборатории (Building Laboratory) университета в Орегоне разработало широкомасштабные испытания панелей с изоляционным внутренним слоем и несущими внешними слоями (SSIC - их обозначение SIP), которые были тщательно исследованы в отношении их пригодности для возведения строений и характеристик, связанных с энергосбережением.
Было установлено, что дома из SIP возводились на 161 час быстрее, чем предусмотрено промышленными стандартами для каркасных домов, и что для домов из SIP требуется на 34% меньше времени по сборке на строительной площадке.
Строительные фирмы по всей стране обнаружили, что они экономят время и деньги, возводя строения из готовых для установки стен вместо того, чтобы нанимать плотников и выполнять строительство обычным способом. Кроме того, при применении систем SIP не требуются работники такой высокой квалификации, как при обычном способе строительства. Этот фактор приобретает особо важное значение в то время, как квалифицированных работников становится все меньше.
То обстоятельство, что конструкции из SIP могут возводиться неквалифицированными работниками, привело к тому, что компания Habitant for Humanity International, некоммерческая организация, строящая экономически доступное жилье, используя главным образом добровольную рабочую силу и имеющая более 1200 филиалов в Соединенных Штатах, стала все больше использовать SIP при строительстве этих домов. Некоторые из филиалов решили применять SIP для реализации экономически доступных проектов не только из-за быстроты возведения, но и из соображений энергосбережения, имя в виду, что жильцам этих домов будет легче отапливать и охлаждать свои жилища в экономически напряженной ситуации.
Дома SIP более комфортабельны
Владельцы домов из SIP, а также подрядчики сообщают о высоком уровне комфортности. Тепло и холод более равномерно распределяются в домах из SIP, не образуя "горячих" и "холодных" мест, как это бывает в домах обычной конструкции. График на следующей странице показывает распределение температуры по внутренним поверхностям стен, из него также видно, что дома из SIP более комфортабельны в сравнении с домами из бруса.
Одним из важных факторов при выборе материала для строительства дома являются его характеристики в отношении теплопередачи. Тепловое сопротивление (R) является мерой сопротивления тепловому потоку, выражающейся в разнице температур, необходимой для прохождения единицы количества тепла через единицу площади в течение одного часа (в США измеряется в британских тепловых единицах/час/квадратный фут (Btu/hour/sq. ft.). Полное тепловое сопротивление (Rt) представляет собой суммарное сопротивление тепловому потоку через всю площадь здания, выраженное в разнице температур в градусах Фаренгейта, необходимое для прохождения теплового потока 1 британская тепловая единица/час/квадратный фут. Эта величина изменяется при изменении окружающих температур и при изменении влажности.
Более высокое значение R означает, что требуется больше времени для того, чтобы тепло прошло через материал.
Организации American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conitioning Engineers (ASHRAE) и American Society for Testing an Materials (ASTM) произвели широкомасштабные испытания на соответствие техническим стандартам в отношении теплопроводности различных материалов. Результаты были опубликованы в специальных изданиях, таких как ASHRAE Hanbook of Fundamentals. Более подробная информация имеется на веб-сайтах www.ashrae.com и www.astm.org.
Были испытаны панели SIP из вспененного полистирола (EPS), опрессованного полистирола (XPS), уретана и изоцианурата. На нижеприведенном графике видны сравнительные характеристики значений R для пенистых изоляционных материалов. Для получения полных значений R необходимо добавить соответствующие значения для двух внешних слоев, наружного и внутреннего.
Значения R для пенистых изоляционных материалов
Температура
EPS
XPS
Уретан
75°F
3,57
3,85
6,88
30°F
3,85
4,17
6,88
0°F
4,17
4,55
6,88
В сравнении с обычными стенами каркасных домов стены из SIP имеют более высокую температуру внутренней поверхности, обеспечивая более высокую комфортность для обитателей. Пики в графиках для домов с каркасными стенами 2х4 и 2х6 соответствуют падению температуры в местах расположения бруса вследствие образования тепловых мостиков. Однородная изоляция стен из SIP ведет к более равномерному, комфортабельному распределению внутренней температуры. Дома из SIP также более удобны внутри и имеют хорошую звукоизоляцию, защищая от шумов внешнего мира. Этот параметр строения трудно измерить, но он имеет большое значение для обитателей дома.
SIP - строительный материал будущего
Производство SIP находится сейчас на подъеме, и многие промышленные лидеры применяют для строительства жилых домов и легких зданий делового назначения главным образом технологии SIP. В 1990 году производителями SIP была образована Ассоциация Производителей Конструкционных Теплоизоляционных Панелей (Structural Insulated Panel Association - SIPA). Задачей SIPA является увеличение использования SIP путем демонстрации профессиональным строителям и владельцам домов их технических преимуществ.
Помимо продвижения SIP к проектировщикам, подрядчикам, властям и владельцам домов SIPA помогает также разрабатывать промышленные стандарты по производству и испытаниям SIP, а также продвигать эти стандарты ко всем заинтересованным лицам. Хотя не все производители и поставщики SIP являются членами SIPA, данная организация представляет основные силы, занятые данным производством. Последние исследования SIPA показали ежегодный промышленный рост на 24% в промежутке между 1991 и 1994 годами. Хотя на самом деле величина ежегодного роста составляла 35%, SIPA оценил рост ежегодного производства SIP в последние годы в размере 85 миллионов квадратных футов, т.е. в США строится по такой технологии приблизительно 0,5% домов. Несмотря на такое небольшое количество в процентах, это составляет приблизительно 100000 строений из SIP.
Несмотря на постоянно растущие объемы, SIPA считает, что используемые возможности ниже, чем могли бы быть. Если бы спрос соответствовал бы уровню технических возможностей, экономические показатели были бы выше, расходы пользователя снижались бы, и SIP были бы более широко применимым строительным материалом. Поскольку стоимость строевого леса и квалифицированного труда продолжает стремительно расти, SIP становятся экономически все более конкурентоспособными.
