Особенности теплотехнического расчета теплозащиты иэнергопотребления современных жилых и общественных зданий при оценке их энергоэффективности

Особенности теплотехнического расчета

строительные науки теплозащиты иэнергопотребления современных

строительная теплофизика жилых и общественных зданий

и энергосбережение при оценке их энергоэффективности

И.Н. Бутовский

НИИСФ PAACH

В настоящее время оценка энергоэффективности отапливаемых здании осуществляется согласно требованиям действующих нормативных документов СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». Кроме того, территориальные нормы по энергоэффективности в зданиях были приняты в более чем 50 регионах Российской Федерации.

В этих нормах помимо требований к теплозащите зданий установлены нормированные значения удельного расхода тепловой энергии на отопление жилых и общественных зданий. Причем в случае, если расчетная величина удельного энергопотребления здания в результате проектирования окажется ниже нормируемой, проектировщик может снижать уровень теплозащиты отдельных видов наружных ограждений, обеспечивая удовлетворение требований норм по удельному энергопотреблению зданий.

Для обеспечения требований по энергосбережению нормы предусматривают обязательное выполнение в каждом проекте отапливаемого здания расчетов энергопотребления на отопление с включением их результатов в «Энергетический паспорт здания». Для оценки энергоэффективности расчетным путем устанавливаются теплозащитные характеристики наружных ограждающих конструкций и удельный расход тепловой энергии на отопление запроектированного здания и полученные значения сопоставляются с нормированными показателями сопротивления теплопередаче всех видов наружных ограждений здания и удельного расхода тепловой энергии на отопление.

Основные методы расчета, методические указания по установлению исходных данных, расчетных характеристик, теплотехнических и энергетических показателей приведены в приложении Г СНиП 23-02-2003, в своде правил СП 23-101-2004, в пособиях к региональным нормам по энергосбережению в зданиях. Однако практика теплотехнических расчетов по оценке энергоэффективности и конкретных проектов жилых и общественных зданий показала, что разнообразие конкретных объемнопланировочных решений, сочетание нескольких типов различных помещений в одном здании (например, жилой дом с нежилыми первыми этажами, встроенным детсадом, подземной автостоянкой, расчлененный техническими этажами или спортивный центр с различными спортивными залами, теннисными кортами, бассейном, административнобытовой зоной, зоной для приема пищи и т.п.), появление новых конструктивных решений наружных ограждений (монолитные железобетонные перекрытия и перегородки с самонесущими наруж-

ными стенами, фасадные системы с наружной теплоизолирующей и защитным облицовочным слоем, вентилируемые фасадные системы, наружные ограждения с пенополистирольной опалубкой, фасадные системы с остекленными лоджиями и балконами и др.) говорят о недостаточности тех методических указаний и справочных материалов, которые приведены в вышеупомянутых нормативных документах.

В ходе конкретной работы над проектами были выявлены те особенности, новые методические приемы, дополнительные информационные материалы, которые позволяют расширить методическую базу теплотехнических расчетов теплозащиты и энергосбережения жилых и общественных зданий.

Оценка теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций базируется на следующем блоке формул, известных из нормативных документов по теплозащите зданий:

— приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Я г , м2 • оС/Вт

Rr = r R

О О

— сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции в удалении от теплотехнических неоднородностей Ro , м2 • °С/Вт:

Ro = 1/ainl +25, />, + 1/аех1 ;

— средневзвешенное приведенное сопротивление теплопередаче ограждения Rопг , м2 • оС/Вт, площадью А, м2, состоящего из n участков со значениями сопротивления теплопередаче Ro r и площади А. :

R r = A/2 A. / R r ;

on • I • ОІ ‘

— температурный перепад , оС, между

температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции:

Atdes = (Jt - JJ / К,  Ro) ;

— температура внутренней поверхности ограждающей конструкции:

,іпҐ = tint -

К основным расчетным температурным и теплообменным характеристикам применяемых в теплотехнических расчетах ограждающих конструкций следует отнести значения t ,, t ,, а.,, а ,

int ' ext ' int ' ехt

Расчетная средняя температура внутреннего

= і

строительная теплофизика и энергосбережение

воздуха зданий tnt принимается согласно СНиП 2302-2003 по минимальным значениям оптимальной температуры жилых и общественных зданий по ГОСТ 30494-96 [1].

Расчетную температуру зданий производственного назначения следует принимать согласно ГОСТ 12.1.005-88 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений.

В жилых зданиях часто на первых этажах располагаются нежилые помещения. В этих помещениях tjnf принимается так же, как и в жилой части здания, равной 20 оС. В некоторых случаях в нежилых помещениях может быть принята t = 18 оС. Кроме того, в жилые дома могут быть встроены детские дошкольные учреждения tjnf = 22 оС. В расположенных в жилых зданиях помещениях с временным пребыванием людей (вестибюли, лестничные клетки, лифтовые холлы, коридоры) t = 16 оС. Помещения гостиниц проектируются с обеспечением tt = 20 оС.

int

В последнее время под жилыми зданиями стали располагаться подземные автостоянки. Согласно СНиП 21-02-99* [2] в помещениях для хранения автомобилей t = 5 оС и предусмотрено воздушное отопление.

Что касается общественных зданий, то расчетная температура их помещений зависит от функционального назначения конкретного вида здания (СНиП 2.08.02-89*) [3]. В таблице приведены значения tint других основных типов общественных зданий и их помещений.

В холодный период года в помещениях жилых, общественных и производственных зданий, когда они не используются и в нерабочее время можно принимать температуру воздуха ниже нормируемой, но не ниже:

15 оС — в жилых помещениях;

12 оС — в общественных и административнобытовых помещениях;

5 оС — в производственных помещениях.

Для жилых помещений жилых зданий и общежитий, детских дошкольных учреждений (ДДУ), расположенных в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) —31оС и ниже, расчетную температуру воздуха в помещении следует увеличивать на 1 оС (для жилых помещений tint = 21 оС, для помещений ДДУ tint = 23 оС). В ДДУ в групповых помещениях на первом этаже следует предусматривать обогреваемые полы с обеспечением температуры поверхности пола 23 оС. При наличии в ДДУ бассейна для обучения детей плаванию в его помещении tint должна быть не менее 30 оС. Если в ДДУ предусмотрено пребывание только дошкольных (средних и

NN п/п Общественное здание (помещение) Расчетная температура внутреннего воздуха tin,° С

1 Общеобразовательные школы и школы-интернаты (классные помещения, учебные комбинаты, актовый зал) 20

2 Профессионально-технические учебные заведения 20

3 Средние специальные и высшие учебные заведения (аудитории, учебные кабинеты, лаборатории) 18

4 Клубы и театры 20

5 Кинотеатры (гардероб для зрителей не предусматривается) 16

6 Библиотеки и архивы (зоны читательского обслуживания, хранилища) 18

7 Магазины 16

8 Спортивные и физкультурнооздоровительные сооружения 18

9 Бассейны 27

10 Предприятия общественного питания 18

Таблица 1. Расчетные температуры помещений общественных зданий.

старших) групп, то в помещениях таких ДДУ Ф может быть снижена до 20 °С.

В угловых помещениях квартир, одноквартирных домов и общежитий расчетную температуру воздуха следует принимать на 2 оС выше неугловых помещений (но не более 22 оС).

Расчетную температуру наружного воздуха Фехф , оС, принимают по средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 согласно СНиП 23-01-99 (таблица 1, колонка 5) [4].

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции а.ф , Вт/(м2 • оС), принимают по таблице 7 СНиП 23-02-2003, а коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода аехф , Вт/(м2 • оС), принимают по таблице 8 СП 23-101-2004.

Если в расчетах следует учитывать наличие углов, образованных наружными ограждениями, то зона внутренней поверхности углов таких помещений имеет а = 6 Вт/(м2 • оС). При наличии в здании более холодных по сравнению с основными помещениями коэффициент теплоотдачи поверхности их

строительная теплофизика и энергосбережение

стен снижается до 6 Вт/(м2 • оС). В крытых катках и других ледовых аренах поверхность льда имеет а;„ф = 10,5 Вт/(м2 • °С).

Новые конструктивные решения наружных ограждений зданий создают условия теплообмена на поверхностях, отличающиеся от стандартных. Получившие в последнее время большое распространение вентилируемые фасадные системы стен зданий обеспечивают на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным воздухом прослойки, а ф = 10,8 Вт/(м2 • оС).

Предусмотренные в покрытиях зданий горизонтальные вентилируемые прослойки имеют а = 12 Вт/(м2 • оС). Запроектированные в ряде отапливаемых зданий теплые чердаки, обеспечивающие в многоэтажных зданиях утилизацию тепла удаляемого из помещений вентиляционного воздуха, имеют на поверхностях пола теплого чердака а^ = 12 Вт/(м2 • °С).

Коэффициенты теплотехнической однородности, приведенные в таблице 6 СП 23-101-2004, касаются лишь конструкций индустриального изготовления и не охватывают всего многообразия конструктивного решения наружных стен, которые в настоящее время применяются в практике отечественного строительства.

Коэффициент теплотехнической однородности наружного ограждения формируются тремя основными типами теплотехнических неоднородностей:

— различного рода включения внутри ограждающей конструкции(соединительные ребра, шпонки, стержни в трехслойных ограждениях, проходящие через утеплитель; растворные швы в кладке, стыки между панелями, локальные утолщения слоев многослойных ограждений и др.), оцениваемые коэффициентом г ;

— наличие проемов в ограждениях, заполненных оконными, дверными блоками, воротами, фонарями в покрытии — коэффициент г2 ;

— примыкание внутренних (и наружных — наружный угол) ограждающих конструкций к оцениваемым наружным ограждениям — коэффициент г3.

Общий коэффициент теплотехнической неоднородности наружного ограждения г можно определять по формуле

Г = Г г3 .

Определение значений коэффициента теплотехнической неоднородности осуществляют по результатам теплотехнического исследования неоднородной наружной ограждающей конструкции на основе экспериментального определения теплотехнических характеристик ограждения по

ГОСТ 26254-84 [5] или на основе расчета температурного поля на ЭВМ по приложению М СП 23101-2004.

В связи с существенным повышением уровня требований к теплозащите жилых и общественных зданий на основе принятых нормативов в конструкциях наружных стен получили широкое распространение ограждения с наружным теплоизоляционным слоем, защищенным от наружных климатических воздействий тонким штукатурным слоем. Этот слой выполняется из полимерцементных композиций, армированных полимерной или металлической сеткой. В качестве несущего или самонесущего внутреннего слоя в такой стене применяется железобетон, керамзитобетон, легкобетонные (ячеистобетонные, керамзитобетонные, пенополистирол-бетонные) блоки. Легкобетонные блоки применяются в каркасных железобетонных зданиях (железобетонные перекрытия, внутренние стены и перегородки) в виде кладки, поэтажно опирающейся на железобетонные перекрытия. Для таких стен с наружным утеплением и тонким штукатурным слоем коэффициент теплотехнической однородности следует принять равным 0,9 (глухие стены) и 0,85 (стены с проемами). К этой же категории следует отнести стены из сэндвич-панелей со средним слоем из эффективного утеплителя и тонким металлическим облицовочным слоем.

Второй тип наружных стен с наружной теплоизоляцией, широко применяющейся в общественных зданиях — навесные фасадные системы с воздушным зазором. В конструкцию стены входит наружная теплоизоляция, закрепленная на внутреннем несущем слое стены. Снаружи теплоизоляция облицована плитными элементами, закрепленными на относе от наружной поверхности утеплителя. Образованная воздушная прослойка выполнена вентилируемой, что создает условия для сушки утеплителя в процессе эксплуатации наружного ограждения. Скрытые крепежные элементы облицовки пронзают утеплитель и заделываются в несущем слое стены. Откосы проемов закрываются элементами облицовки, примыкающими с одной стороны к облицовочному слою фасадной системы, а с другой — к рамам заполнения проемов. Все эти крепежные элементы снижают теплотехническую однородность стены с фасадной системой [6, 7]. Для стен с вентилируемой фасадной системой при креплении стальными кронштейнами коэффициент теплотехнической однородности можно принять равным 0,8 (глухие стены) и 0,7 (стены с проемами). Вентилируемая воздушная прослойка с облицовочным слоем в расчете теплозащиты стены не учитывается.

строительная теплофизика и энергосбережение

При определении необходимого сопротивления теплопередаче цокольной части наружных стен Яог, м2.оС/Вт следует учитывать расположение цоколя относительно помещений здания. Если цоколь относится к наружным стенам первого этажа, то к его теплозащите предъявляются те же требования, что и к наружным стенам, контактирующим с наружным воздухом. Если цоколь относится к наружным стенам подвала, подполья, то его Яог должно обеспечивать требования невыпадения конденсата на внутренней поверхности стен подвала или другого помещения, расположенного ниже отметки 0,00 м.

В подвалах, подпольях и других помещениях, расположенных ниже уровня земли, приведенное сопротивление теплопередаче стен и конструкций пола, контактирующих с грунтом, определяется путем разбивки этих ограждений на зоны шириной 2 м, параллельным наружным зонам, начиная от отмостки здания (I зона). Для этих зон (в случае, если они не утеплены) приняты следующие значения приведенного сопротивления теплопередаче:

Я^ = 2,1 — для I зоны площадью А;

Яыг = 4,3 — для II зоны площадью А1

Я г = 8,6 — для III зоны площадью Аш

Я^г = 14,2 — для IV зоны площадью А;у (для оставшейся площади пола).

В случае утепленных стен и полов (для отапливаемых подвалов и других заглубленных помещений с наружной стороны устраивается утепление ограждений (эффективным утеплителем — экструзионный пенополистирол) и для зон с утеплением Я Ф составит

О!

ЯФ = Я' + 5Ф /X ,

о/ о/ Ф ' Ф ' ' '

где Яог — приведенное сопротивление теплопередаче /-ой зоны без утеплителя, м2.оС/Вт; 5ф — толщина слоя эффективного утеплителя м2; Хф — коэффициент теплопроводности эффективного утеплителя, Вт/м-оС.

Приведенное сопротивление теплопередаче совокупности ограждающих конструкций, контактирующих с грунтом, определяется по формуле (3).

При расположении под зданиями подземных автостоянок (Ф.ф = 5 оС) приведенное сопротивление теплопередаче перекрытия между подземным гаражом и вышерасположенным помещением (ФпФ > 11 оС) должно быть не менее нормируемого сопротивления теплопередаче Ят^ , определяемого согласно п. 5.5 СНиП 23-02-2003. Такому же требованию должны удовлетворять и стены, отделяющие подземные автостоянки от подвальных поме-

щений с Ф/ф > 11 оС. Если подземная автостоянка выходит за пределы площади, занимаемой построенным зданием, то приведенное сопротивление теплопередаче покрытия подземной автостоянки, контактирующего с наружным воздухом, должно быть не менее нормируемого сопротивления теплопередаче Я , определяемого по формуле (3) СНиП 23-02-2003.

При наличии в здании этажей, отапливаемая площадь которых меньше чем площадь вышерасполо-женного этажа, в перекрытии между этими этажами возникают участки, которые снизу контактируют с наружным воздухом. Для этих участков (относящихся к типу перекрытия над проездами) приведенное сопротивление теплопередаче должно быть не менее значений нормируемого сопротивления теплопередаче, определяемых по колонке 4 таблицы 4 СНиП 23-02-2003.

В практике современного строительства широкое распространение получили энергоэффективные светопрозрачные конструкции в конструктивном решении оконных блоков, балконных дверей, витражей в деревянных, пластмассовых (ПВХ-профили) и алюминиевых переплетах. Для светопропускающих заполнений светопрозрачных конструкций стали применяться одно- и двухкамерные стеклопакеты, для повышения уровня теплозащиты которых могут применяться теплоотражающие низкоэмиссионные покрытия на стеклах, осуществляться заполнение межстекольного пространства стеклопакета малотеплопроводными газами (аргон, криптон, углекислый газ). В алюминиевых рамах и переплетах для снижения теплопередачи применяются разрывы мостиков холода (полимерные вставки в стенки профилей, параллельные тепловому потоку.

Основные эксплуатационные характеристики оконных блоков (приведенное сопротивление теплопередаче, воздухопроницаемость), которые необходимы для теплотехнических расчетов показателей энергетического паспорта, приведены в ГОСТах на оконные блоки:

— для оконных блоков из ПВХ-профилей в ГОСТ 30674-99 [8];

— для оконных блоков из алюминиевых сплавов в ГОСТ 21519-2003 [9];

— для деревянных оконных блоков с листовым остеклением в ГОСТ 11214-2003 [10];

— для деревянных оконных блоков с листовым остеклением в ГОСТ 11214-2003 [11];

— для деревянных оконных блоков со стеклами и стеклопакетами в ГОСТ 24699-2002 [12];

— для деревоалюминиевых оконных в ГОСТ 25097-2002 [13].

строительная теплофизика и энергосбережение

В таблицах приведенного сопротивления теплопередаче даны значения этого показателя при заполнении оконного блока различными видами стеклопакетов, которые представлены специальной структурой условного обозначения. Так, двухкамерный стеклопакет с теплоотражающим покрытием, заполненный газом аргон, имеет обозначение следующей структуры: 4М1-8Аг-4М1-8Аг-К(И)4, где:

4 — толщина стекла в мм;

8 — толщина межстекольного пространства в мм;

М1 — обычное стекло;

Аг — газ аргон;

К — стекло с низкоэмиссионным твердым покрытием;

И — стекло с низкоэмиссионным мягким покрытием.

В ГОСТ 21519-2003 даны приведенные сопротивления теплопередаче оконных блоков из полых алюминиевых профилей, из комбинированных алюминиевых профилей с термоизоляционной вставкой шириной 18—28 мм и со вставкой более 28 мм.

Витражи для заполнения больших светопроемов монтируют из остекленных блоков из алюминиевых сплавов, на которые распространяются требования ГОСТ 21519-2003.

Для заполнения проемов наружных дверей широко применяют дверные блоки из алюминиевых сплавов (ГОСТ 23747-88 [14]), утепленные стальные дверные блоки (ГОСТ 31173-2003 [15]).

Для заполнения светопроемов в покрытиях зданий применяют пирамидальные фонари из рамных алюминиевых конструкций, зенитные фонари в виде куполов из органического стекла (ГОСТ 22160-76 [16]), панели из экструдированного поликарбоната, мансардные деревянные оконные блоки (ГОСТ 30734-2000 [17]).

При применении для заполнения проемов конкретных конструкций окон, витражей, фонарей, наружных дверей, проведения теплотехнических расчетов наружных ограждений, используют теплотехнические характеристики из сертификатов соответствия, выданных российскими сертификационными центрами на продукцию заполнений проемов зданий, изготавливаемую на конкретных предприятиях строительной индустрии и примененную на рассчитываемом здании.

Представленные дополнительные данные по температурным и теплообменным характеристикам взаимодействующей с наружными ограждениями воздушной среды, по теплотехническим показателям элементов ограждающей оболочки здания могут быть использованы при дальнейшем уточнении методологии оценки энергоэффективности отапливаемых зданий.

Для получения всех характеристик и показателей, включаемых в энергетический паспорт здания, необходимо получить от разработчика следующие данные проекта рассматриваемого здания:

1. Архитектурно-строительная часть (планы, разрезы, фасады, генплан), пояснительная записка.

2. Для жилых зданий — количество квартир, число жителей.

Для общественных зданий (в т.ч. в составе жилых зданий) — продолжительность рабочего дня и количество рабочих дней в неделю, количество людей, пребывающих в помещениях в максимальную рабочую смену.

3. Конструктивная часть (конструкция наружных ограждающих элементов: стен (в т.ч. контактирующих с грунтом); покрытий; чердачных перекрытий; перекрытий, относящихся к категории «над проездами и эркерами»; ограждений (стен и перекрытий), разделяющих помещения с разными внутренними температурами — АФМ > 6 оС; ограждений теплых подвалов и подполий, контактирующих с грунтом).

4. Конструкция и площадь (в т.ч. ориентированных по сторонам света) наружных окон, витражей, фонарей, наружных дверей (технические свидетельства, содержащие данные о тепло- и воздухозащитных характеристиках примененных в проекте видов).

5. При сложных объемно-планировочных решениях для каждого отапливаемого этажа (в т.ч. отапливаемого подвала, технического этажа) — периметр внутренней поверхности наружных стен и площадь, заключенная внутри этого периметра.

6. Отопление и вентиляция — раздел проекта, с получением данных:

— о системах отопления, принудительной вентиляции (в том числе, часовой расход тепловой энергии в кВт на отопление Оь и принудительную приточную вентиляцию), горячего и холодного водоснабжения (в т.ч. расход холодной и горячей воды в м3/сут);

— сведения о наличии приборов учета и регулирования, обеспечивающих эффективное использование энергии;

— принципиальную схему подключения систем отопления и горячего водоснабжения к тепловым сетям с информацией о наличии приборов автоматической подачи и учета тепловой энергии и воды.

7. Установленная мощность (кВт):

электроснабжения ................ , в т.ч.

— на электроосвещение и бытовые нужды

— механической вентиляции

— силового оборудования

— на уличное освещение

— на тепловые завесы.

строительная теплофизика и энергосбережение

Список литературы

1. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные.

Параметры микроклимата в помещениях — МНТКС, Госстрой России, М., 1999.

2. СНиП 21-02-99* Стоянки автомобилей — Госстрой

России, М., 2004.

3. СНиП 2.08.02-89* Общественные здания и сооружения — Госстрой России, М., 1999.

4. СНиП 23-01-99* Строительная климатология — Госстрой России, М., 2003.

5. ГОСТ 26254-84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций — Госстрой России, М., 1984.

6. Гагарин В.Г. и др. Теплозащита фасадов с венти-

лируемым зазором — АВОК № 2,3, 2004.

7. Подласова И.А. и др. Сопротивление теплопере-

даче стен с навесными теплоизоляционными фасадами — АВОК № 3, 2005.

8. ГОСТ 30674-99 Блоки оконные из поливинилхло-

ридных профилей. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2000.

9. ГОСТ 21519-2003 Блоки оконные из алюминие-

вых сплавов. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2004.

10. ГОСТ 11214-2003 Блоки оконные деревянные с листовым остеклением. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2004.

11. ГОСТ 24700-99 Блоки оконные деревянные со стеклопакетами. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2000.

12. ГОСТ 24699-2002 Блоки оконные деревянные со стеклами и стеклопакетами. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2003.

13. ГОСТ 25097-2002 Блоки оконные деревоалюминиевые. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2003.

14. ГОСТ 23747-88 Двери из алюминиевых сплавов. Общие технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 1988.

15. ГОСТ 31173-2003 Блоки дверные стальные. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2004.

16. ГОСТ 22160-76 Купола из органического стекла двухслойные. Технические условия — Госстрой России, М., 1976.

17. ГОСТ 30734-2000. Блоки оконные деревянные мансардные. Технические условия — МНТКС, Госстрой России, М., 2001.