Оценка энергоэффективности с учетом влияния краевых зон ограждающих конструкций на теплопотери здания

ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ КРАЕВЫХ ЗОН ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ТЕПЛОПОТЕРИ ЗДАНИЯ

ENERGY EFFICIENCY ESTIMATION TAKING INTO ACCOUNT INFLUENCE OF EDGE ZONES OF ENCLOSING STRUCTURES ON HEAT-LOSSES OF A BUILDING

C.B. Корниенко

S. V. Kornienko

Волгоградский ГАСУ

Разработана методика оценки энергоэффективности с учетом влияния краевых зон ограждающих конструкций на теплопотери здания. Показано, что совершенствование краевых зон имеет высокий потенциал энергоэффективности.

The method of estimation of energy efficiency taking into account influence of edge zones of enclosing structures on heat-losses of a building is devised. It is shown that the improvement of edge zones has a high potential of energy efficiency.

B разработку энергетической концепции проектирования зданий большой вклад внесли В.Н. Богословский [2, 3], Ю.А. Табунщиков [13], В.Г. Гагарин [4], В.К. Савин [11], А.И. Ананьев [1], В.И. Прохоров [10], Ю.А. Матросов [9] и другие ученые. Теплозащитные свойства и энергоэффективность зданий оценивают исходя из обеспечения нормируемого энергопотребления здания. Оценка энергоэффективности зданий производится по удельному энергопотреблению путем сравнения расчетного и нормируемого потребления энергии, при этом должно быть выполнено следующее условие:

qdes ^ qreq ,

где qdes, qreq — соответственно расчетное и нормируемое удельное энергопотребление здания.

Очевидно, чем меньше величина qdes, удовлетворяющая условию (1), тем выше энергоэффективность здания.

Анализ различных подходов к расчету энергопотребления зданий показал, что для оценки энергоэффективности здания удобно использовать комплексный показатель — удельный расход энергии q, МДж/(м3-г.), на эксплуатацию здания за отопительный период, определяемый по формуле:

q = qh + qw + qe,

где: qh — удельный расход тепловой энергии на отопление; qw — удельный расход тепловой энергии на горячее водоснабжение; qe — удельный расход электрической энергии.

Удельный расход тепловой энергии на отопление qh определяют на основе теплового баланса здания за отопительный период по формуле:

qh = qtr + qa+ qs К

где: — удельные трансмиссионные теплопотери через оболочку здания; qa — удельные теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации воздуха; qint — удельные внутренние бытовые тепловыделения; qs — удельные теплопоступления за счет солнечной радиации; ^ < 1 — коэффициент использования суммарных теплопоступлений в здание.

Для оболочки здания, состоящей из т ограждающих конструкций (т > 1), удельные трансмиссионные теплопотери qtr определяют по формуле:

1 т

q^r =ттХ

где: Уы — отапливаемый объем здания; Qтi — общие трансмиссионные теплопотери через ^ю конструкцию.

В [5] показано, что для практических расчетов общих трансмиссионных теплопо-терь через ограждающую конструкцию за отопительный период целесообразно использовать формулу:

0,0864М„Д. Г Ь ) Qтi= * i 1 + XVу,

КЫ ^ 7-1 )

где Мы, — градусосутки отопительного периода, определяемые по формуле:

Мы = - гы )гы ; tint — температура внутреннего воздуха; Ы — средняя температура наружного воздуха за отопительный период; — продолжительность отопительного периода; Ai — площадь i-й конструкции по внутренним размерам; Кы°п — сопротивление теплопередаче по глади i-й конструкции (с учетом положения конструкции относительно наружного воздуха); и — число краевых зон в i-й конструкции; Уу = — коэффициент добавочных теплопотерь через у-ю краевую зону ^й

конструкции; к'2, А'2 — соответственно коэффициент влияния и площадь зоны влияния у'-й краевой зоны i-й конструкции.

Под краевыми зонами мы понимаем локально неоднородные по геометрическим или теплофизическим параметрам участки ограждения. Параметры к'2 и Аопределяются по температурному полю на основе разработанного автором метода расчета температурно-влажностного режима в трехмерных областях ограждающих конструкций зданий [7, 8].

Разработанный метод позволяет рассчитать общие теплопотери ограждения оболочки здания с учетом краевых зон. В отличие от метода [4], основанного на интегральной оценке теплозащитных свойств оболочки здания и теплопотерь без разделения отдельных неоднородностей между конструкциями, формула (2) позволяет определить теплопотери каждой конструкции оболочки здания и оценить вклад каждой краевой зоны в теплопотери конструкции.

Удельные теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации воздуха qa определяют по формуле:

qa = 0,024СаРаиШкУМШ ,

где: са, ра — соответственно удельная теплоемкость и плотность воздуха; иы — средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, определяемая по формуле:

иы = кКк,епи,еп + (1 - к,еп) ип/ ; кК < 1 — коэффициент, учитывающий снижение расхода вентиляционного воздуха при рекуперации и регенерации тепла; к,еп — коэффициент использования вентиляции; и,еп — средняя кратность воздухообмена в рабочее

время; и¡„у — средняя кратность воздухообмена в нерабочее время; кг — коэффициент снижения объема воздуха в здании, учитывающий наличие внутренних ограждающих конструкций.

Удельные внутренние бытовые тепловыделения определяют по формуле: 0,0864

ун ¡=1

где: „ — число источников тепловыделений; кЦ„' — коэффициент использования тепловыделений ¡-го источника; Q¡„, — суммарная мощность тепловыделений ¡-го источника.

Удельные теплопоступления за счет солнечной радиации д! определяют по формуле:

q = — I У xverIverAver + ThorihorAh

V I ¿^i г г г

" " ver hor

где: g — число вертикальных поверхностей различной ориентации; x¡ , т — соответственно общий коэффициент пропускания солнечной радиации вертикальной и

ver hor

горизонтальной светопрозрачными конструкциями; 1г , I — соответственно суммарная солнечная радиация при средних условиях облачности за отопительный период

ver hor

на вертикальную и горизонтальную поверхности; Аг , A — соответственно площадь вертикальной и горизонтальной поверхностей.

На основе статистической обработки многолетних климатических данных по суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности методом наименьших квадратов конечными рядами Фурье в [6] получены результаты, позволяющие определить теплопоступления от солнечной радиации при различной продолжительности отопительного периода.

Удельный расход тепловой энергии на горячее водоснабжение здания qhw определяют по формуле:

10 khwCw9 wlhwo Nhw (fhw ~ ^cw )Zhl

qhw

Vh

где: кут < 1 — коэффициент использования расчетной нагрузки горячего водоснабжения; сК, — соответственно удельная теплоемкость и плотность воды; — норма расхода горячей воды в средние сутки; А^ — число потребителей горячей воды; '}т, 'см, — соответственно температура горячей и холодной воды в отопительный период. Удельный расход электрической энергии че определяют по формуле: 86,4кедео Ыегы

qe =-

Vh

где: ке < 1 — коэффициент использования расчетной электрической нагрузки; чео — удельная расчетная электрическая нагрузка; Ае — число потребителей электрической энергии.

Разработанная методика расчета энергетических показателей реализована в компьютерной программе «Энергетический паспорт здания (ЭНПАС)». Программа позволяет производить расчет энергозатрат на эксплуатацию здания за отопительный период, включая затраты на отопление, горячее водоснабжение, электроснабжение. Энергозатраты на отопление включают трансмиссионные теплопотери через оболочку здания (с учетом краевых зон), теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации воздуха, внутренние бытовые тепловыделения, теплопоступления от солнечной радиации.

Основными достоинствами разработанной компьютерной программы являются:

- расчет энергопотребления здания с учетом всех его составляющих, включая расходы тепловой и электрической энергии;

- определение структуры трансмиссионных теплопотерь через краевые зоны ограждений, что позволяет совершенствовать проектные решения;

- возможность оценки энергоэффективности здания на стадии проектирования.

Программа имеет удобный пользовательский интерфейс, основанный на возможностях Delphi. Подготовка исходных данных для расчета наглядна и удобна в применении. Программа имеет модульную структуру, что обеспечивает возможность ее дальнейшего совершенствования.

На основе разработанной методики выполним оценку влияния краевых зон ограждающих конструкций на теплопотери и энергоэффективность здания.

Рассмотрим жилое многоквартирное здание, имеющее квадратную форму в плане с размерами в осях 27,6x27,6 м. Количество этажей 17. Район строительства Волгоград. Конструктивная схема здания каркасная, с монолитным железобетонным каркасом. Наружные стены кирпичные трехслойные с эффективным утеплителем и поэтажным опиранием на перекрытия. Окна и балконные двери — в виде двухкамерных стеклопакетов в деревянных переплетах. Покрытие, перекрытия теплого чердака и над техподпольем имеют эффективный утеплитель. Здание имеет автономное теплоснабжение и естественную вентиляцию.

Расчет энергетических показателей здания выполнен при следующих исходных данных: tint = 20 °С; tht = -2,4 °С; zht = 177 сут/г.; Vh = 38785 м3; uven = 0,4 ч-1; qw = 115 л/(сут-ед. изм.); qeo = 1,0 кВт/(ед. изм.); Ntm = Ne = 140 ед. изм.; kR = kven = hw = 1; ke = 0,75. Значения qint = 17,3 МДж/(м3-г.) и qs = 19,6 МДж/(м3-г.) рассчитаны в соответствии с проектом.

Условно разобьем оболочку здания на ограждающие конструкции (m = 6): наружные стены (A1 = 4494 м2, Rh1con = 4,06 м2-°С/Вт), окна и балконные двери (A2 = 1576 м2, Rh2con = 0,68 м2-°С/Вт), входные двери (A3 = 55 м2, Rh3con = 0,78 м2-°С/Вт), совмещенное покрытие (A4 = 412 м2, Rh4con = 4,22 м2-°С/Вт), перекрытие теплого чердака (A5 = 381 м2, Rh5con = 3,68 м2-°С/Вт), перекрытие над техподпольем (A6 = 793 м2, Rh6con = 3,68 м2-°С/Вт).

Рассмотрим следующие варианты расчета: 0 (базовый) — без учета краевых зон; 1 и 2 — с различным конструктивным решением краевых зон.

В наружной стене выделим краевые зоны: углы; сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями; оконные откосы; теплопроводные включения.

В оконном блоке выделим краевые зоны: сопряжение стеклопакета со створкой; сопряжение коробки с наружной стеной.

Рассмотрим различные варианты конструктивного решения краевых зон.

Вариант 1: углы, сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями без теплоизоляционных вкладышей; теплопроводные включения в виде ребер жесткости колодцевой кладки; оконный блок с узкой коробкой.

Вариант 2: углы, сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями с теплоизоляционными вкладышами; теплопроводные включения в виде пластмассовых малотеплопроводных коннекторов; оконный блок с широкой коробкой.

ВЕСТНИК _МГСУ

Краевые зоны покрытия, перекрытий теплого чердака и над техподпольем в обоих вариантах определены по проекту.

Коэффициенты добавочных теплопотерь для указанных вариантов краевых зон ограждающих конструкций определены по указанной выше методике.

На основе полученных данных определены удельные трансмиссионные теплопо-тери через ограждающие конструкции для указанных вариантов расчета (табл. 1).

Таблица 1

Ограждающая конструкция Удельные трансмиссионные теплопотери, МДж/(м3-г.), по вариантам расчета

0 1 2

Наружные стены 9,78 18,4 12,2

Окна, балконные двери 20,5 23,6 20,5

Входные двери 0,623 0,717 0,623

Покрытие совмещенное 0,862 1,08 0,972

Перекрытие теплого чердака 0,914 1,14 1,03

Перекрытие над техподпольем 1,90 2,38 2,14

Данные табл. 1 использованы для определения удельных трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания. Результаты расчета удельных энергетических показателей здания за отопительный период, МДж/(м3-г.), представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета удельных энергетических показателей здания _за отопительный период_

Наименование показателя Значение пок< по вариантам 1зателя расчета

0 1 2

Теплопотери через оболочку здания 34,6 47,3 37,4

Теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации воздуха 42,1 42,1 42,1

Внутренние бытовые теплопоступления 17,3 17,3 17,3

Теплопоступления за счет солнечной радиации 19,6 19,6 19,6

Расход тепловой энергии на отопление здания 39,8 52,5 42,6

Расход тепловой энергии на горячее водоснабжение 15,3 15,3 15,3

Расход электрической энергии 41,4 41,4 41,4

Расход тепловой и электрической энергии 96,5 109 99,3

Анализ полученных результатов показывает, что учет краевых зон по варианту 1 повышает трансмиссионные теплопотери через оболочку здания на 37 %. При этом расход тепловой энергии на отопление здания повышается на 32 %, а расход тепловой и электрической энергии на 13 %. Таким образом, температурно-влажностный режим в краевых зонах ограждений оказывает существенное влияние на энергопотребление здания. Поэтому в реальном проектировании необходимо учитывать это влияние.

Энергоэффективность здания можно повысить за счет уменьшения влияния краевых зон на удельный расход энергии. Совершенствование конструктивного решения

наружных ограждений (вариант 2) приводит к снижению трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания на 29 %, расхода тепловой энергии на отопление здания на 25 %, расхода тепловой и электрической энергии на 10 %. Сравнивая полученные результаты с другими мероприятиями по повышению энергоэффективности зданий [12], можно отметить, что совершенствование краевых зон ограждающих конструкций имеет высокий потенциал энергоэффективности. Кроме того, повышение энергоэффективности здания в этом случае достигается без ощутимого увеличения конечной стоимости строительства, что делает этот путь доступным для внедрения в повседневную жизнь.

Литература

1. Ананьев А.И. Научно-технические основы повышения теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий из штучных материалов: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: НИИСФ РААСН, 1998. - 40 с.

2. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979. - 248 с.

3. Богословский В.Н. Три аспекта концепции ЗЭИЭ и особенности переходного периода // Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях: сб. докл. науч.-практ. конф. / под ред. В.Г. Гагарина. М.: НИИСФ РААСН, 1997. Т.1. - с. 7—9.

4. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О нормировании теплопотерь через оболочку здания // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. - с. 279—286.

5. Корниенко С.В. Повышение энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь через краевые зоны ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. - с. 348—351.

6. Корниенко С.В. Расчет теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период // Жилищное строительство. 2010. № 6. - с. 40—41.

7. Корниенко С.В. Решение трехмерной задачи совместного нестационарного тепло- и вла-гопереноса для ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2007. № 10. - с. 54—55.

8. Корниенко С.В. Совместный влаготеплоперенос (СОВТ) / Свидетельство № 2011611175 о государственной регистрации программы для ЭВМ. М.: ФИПС, 2011.

9. Матросов Ю.А. Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения. М.: НИИСФ РААСН, 2008. - 496 с.

10. Прохоров В.И. Облик энергосбережения // Актуальные проблемы строительной теплофизики: сб. докл. 7-й науч.-практ. конф. Академические чтения / под ред. В.Г. Гагарина. М.: НИИСФ РААСН, 2002. - с. 73—93.

11. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М.: Лазурь, 2005. - 432 с.

12. СТО 17532043-001—2005. Нормы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций и оценки энергоэффективности зданий. М.: РНТО строителей, 2006.

13. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.

References

1. Ananiev A.I. The scientific and technical bases of increase of heat-shielding qualities and durability of external enclosing structures of buildings from piece materials: The author's abstract of the dissertation of a Dr. Sci. Tech.: 05.23.01, 05.23.03. M: NIISF RAABS, 1998. 40 p.

2. Bogoslovsky V.N. A thermal mode of a building. M: Stroyizdat, 1979. 248 p.

3. Bogoslovsky V.N. Three aspects of concept of the energy effective building and peculiarities of a transition period // Problems of building thermophysics and energy-savings in buildings: The collection of reports of scientifically-practical conference / edited by V.G. Gagarin. M: NIISF RAABS, 1997. V.1. P. 7—9.

4. Gagarin V.G, Kozlov V.V. About rationing of heat-losses through enclosure of a building // Academia. Architecture and building. 2010. № 3. P. 279—286.

5. Kornienko S.V. Increasing of energy efficiency of buildings at the expense of decrease heat-losses through edge zones of enclosures // Academia. Architecture and building. 2010. № 3. P. 348— 351.

6. Kornienko S.V. The calculation of heat input from solar radiation during the heating period // Housing construction. 2010. № 6. P. 40—41.

7. Kornienko S.V. The decision of a three-dimensional problem combined non-stationary heat-and moisture conduction for enclosing structures of buildings // Construction materials. 2007. № 10. P. 54—55.

8. Kornienko S.V. The combined moisture- and heat conduction (SOVT) / The Certificate № 2011611175 about the state registration of the computer program. M: FIIP, 2011.

9. Matrosov Yu.A. Energy conservation in buildings. Problem and the ways of her solution. M: Research Institute of Building Physics (NIISF), 2008. 496 p.

10. Prokhorov V.I. Shape of energy conservation // Actual problems of building thermophysics: The collection of reports of scientifically-practical conference. The Academic readings / edited by V.G. Gagarin. M: NIISF RAABS, 2002. P. 73—93.

11. Savin V.K. The building physics: energy transfer, energy efficiency, energy conservation. M: Lazur, 2005. 432 p.

12. The standard of the organizations № 17532043-001—2005. Norms of the thermophysics designing of enclosures and an estimation of energy efficiency of buildings. M: The Russian scientific and technical society of builders (RNTO), 2006.

13. Tabunshchikov Yu.A., Brodach M.M. Mathematical modeling and optimization of thermal efficiency of buildings. M: AVOK-PRESS, 2002. 194 p.

Ключевые слова: энергосбережение и энергоэффективностъ, отопление, горячее водоснабжение, электроснабжение, теплопотери, ограждающие конструкции, краевые зоны, гра-дусосутки отопительного периода, солнечная радиация, компьютерная программа.

Key words: energy conservation and energy efficiency, heating, hot water supply, power supply, heat-losses, enclosing structures, edge zones, heating degree-days, solar radiation, the computer program.

e-mail: skorn73@mail.ru.