Базовое значение поэлементных требований что это

О комплексном показателе тепловой защиты оболочки здания

В. Г. Гагарин, доктор техн. наук, профессор, НИИСФ РААСН

В. В. Козлов, канд. техн. наук, НИИСФ РААСН

В статье исследуется концепция нормирования теплозащиты ограждающих конструкций, заложенная в СНиП 23.02-2003 «Тепловая защита зданий», и предлагается новая концепция, позволяющая заложить основу соответствующих разделов обновленного СНиП или СП, которые должны разрабатываться в ближайшее время.

В настоящее время происходит пересмотр строительной нормативной базы, что обусловлено приведением ее в соответствие недавно принятым законам. В то же время давно назрела необходимость обновления ряда нормативных документов. К таким документам относится и СНиП 23.02-2003 «Тепловая защита зданий» [1], который был создан взамен СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» [2].

В СНиП 23.02-2003 необходимо совершенствовать много различных положений. Ключевым в настоящее время является раздел нормирования теплозащиты ограждающих конструкций. Именно этот раздел вызывает больше всего споров и нуждается в тщательной проработке. Сейчас наступает момент, когда необходимо обобщить опыт использования предыдущих СНиП, нормирующих теплозащиту ограждающих конструкций, сделать выводы и перейти к новой, улучшенной концепции нормирования.

Общие требования к разделу тепловой защиты здания

Исторически сложилось так, что нормирование теплозащитных характеристик ограждающих конструкций проводилось поэлементно. При этом с увеличением опыта нормирования повышалась детализация требований к отдельным конструкциям. Изменения 1995 и 1998 годов СНиП «Строительная теплотехника» резко повысили требуемые величины сопротивлений теплопередаче, оставив без изменения принятую концепцию поэлементного нормирования. Однако поэлементное нормирование, усложняя и удорожая строительство, является недостаточным для обеспечения эффективного сбережения энергии зданием. Возможно, поэтому в СНиП 23.02-2003 [1] было введено дополнительное комплексное требование, ограничивающее удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период, составляющее так называемый потребительский подход. Одновременно в СНиП 23.02-2003 была введена возможность понижения на 20–37 % поэлементных требований к ограждающим конструкциям. Комплексное нормирование теплозащитных характеристик всей оболочки здания является оптимальным, оно крайне необходимо в условиях современного строительства. Но предпринятую в СНиП 23.02-2003 попытку такого комплексного нормирования нельзя признать удачной.

При расчете удельного расхода тепловой энергии на отопление здания за отопительный период в [1] используется множество дополнительных величин, которые уводят проектировщика от анализа оболочки здания. После учета потерь теплоты на вентиляцию, бытовых тепловыделений, поступлений от солнечной радиации, применения ряда коэффициентов, учитывающих форму здания, регулируемость отопления, рекуперацию вентиляции и т. д., влияние теплозащитных свойств отдельной ограждающей конструкции приближается к погрешности расчета. Сложная, перенасыщенная второстепенными деталями методика, заложенная в СНиП, привела к тому, что проектировщики и строители перестали ощущать влияние отдельных изменений проекта на нормируемую величину в целом. Выполнение нормативных требований стало формальностью, реализуемой зачастую начетническими методами (попросту подгонкой коэффициентов). К тому же СНиП 23.02-2003 содержит в себе большое количество неопределенностей и неоднозначностей. В итоге возложенный на данный СНиП контроль за тепловыми потерями через оболочку здания, оказался практически утерян.

Оболочка здания должна иметь свою меру комплексной тепловой защиты. Методика ее определения должна быть максимально простой и проработанной. Проектировщику должны быть предоставлены методические возможности быстро определить, какая из конструкций привела к ухудшению комплексной характеристики и насколько эту конструкцию нужно «доутеплять».

На наш взгляд, раздел теплозащиты в новой редакции СНиП или СП должен содержать:

— четкие определения используемых понятий;

— минимально необходимое количество параметров для расчетов теплозащиты оболочки здания;

— поэлементные требования, которые в большинстве случаев должны соответствовать требованиям СНиП 23.02-2003, с целью не допустить резкого разрыва требований;

— комплексное требование к теплозащите оболочки здания, очищенное от влияния величин, не относящихся к оболочке, и поддержанное простыми методиками по его использованию;

— методические возможности, предоставленные проектировщику для быстрого определения конструктивных решений, приведших к ухудшению комплексной характеристики оболочки здания, и показывающие пути ее повышения;

— согласованность всех требований между собой, которые должны закрывать возможности для ошибок проектирования.

В настоящее время существует значительный резерв энергосбережения за счет нормализации применения комплексных требований, повышения адекватности расчетов теплозащиты при проектировании, учета влияния архитектурных решений на теплозащиту здания. Указанные возможности энергосбережения будут продемонстрированы в данной статье.

Анализ нормирования удельного расхода тепловой энергии на отопление здания

При проектировании теплозащиты здания согласно [1] основным нормируемым показателем теплозащиты оболочки является удельный расход тепловой энергии на отопление здания. В основу методики расчета этого показателя была положена методика расчета установочной мощности системы отопления здания [3]. Согласно [3] система отопления должна обеспечить температурный режим помещений здания при температуре воздуха, соответствующей наиболее холодной пятидневке. Представляется проблематичным механическое перенесение подхода к определению составляющих теплопотерь здания в экстремальный (с точки зрения теплопотребления) период для расчета теплопотребления здания в течение всего отопительного периода, так как режимы эксплуатации здания будут существенно различными. Однако в настоящий момент используется именно этот методический подход, поэтому рассмотрим принципы расчета удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, заложенные в СНиП 23.02-2003. Для упрощения изложения используются обозначения, отличающиеся от принятых в СНиП [1].

Потери теплоты зданием за отопительный период, Q, кВтч/год, складываются из трансмиссионных потерь через оболочку здания и расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха, их можно представить в виде:

(1)

где V – объем здания, м 3 ;

n_a – кратность воздухообмена, ч –1 ;

ρ_в – плотность воздуха, кг/м 3 (примерно 1,32 кг/м 3 );

с_в – теплоемкость воздуха, Дж/(кг·˚С) (равна 1 006 Дж/(кг·°С));

ГСОП – градусосутки отопительного периода, °С·сут./год;

А_i – площади наружных ограждений (наружных стен, окон и т. д.), м 2 ;

R_o,i пр – приведенные сопротивления теплопередаче соответствующих наружных ограждений, м 2 · °С/Вт;

n_i – коэффициенты, принимаемые в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.

Последовательное преобразование (1) дает:

(2)

(3)

После введения обозначений для коэффициента компактности здания:

(4)

и для приведенного коэффициента теплопередаче через наружные ограждения здания:

(5)

(6)

(7)

Эта характеристика несколько десятилетий применяется в нашей стране при проектировании систем отопления зданий, хотя выражение для ее расчета иногда используют в несколько другой форме.

Нормируемая в СНиП 23.02-2003 величина получается путем вычитания из правой части (7) вклада от бытовых тепловыделений и от проникающей солнечной радиации. Полученная таким образом разность теплопотерь и теплопоступлений, отнесенная к 1 м 3 отапливаемого объема здания, названа в [1] удельным расходом энергии на отопление здания.

(8)

β_h – коэффициент, учитывающий добавочные потери теплоты, связанные с дискретностью номинального теплового потока;

(9)

Нормируемая СНиП 23.02-2003 [1] величина q_h des (8) содержит в себе суммарные тепловые потери через оболочку здания, отнесенные к отапливаемому объему и перепаду температуры: K_комK_общ. Однако расчет величины q_h des по методике [1] осложнен учетом дополнительных тепловых потоков, не имеющих отношения к оболочке здания и содержащим несколько коэффициентов. Кроме того, расчет величины qhdes не сведен к формуле вида (8), а выполняется путем нескольких последовательных операций, часть из которых можно было бы сократить. Такое усложнение расчета нормируемой величины приводит к трудности ее практического использования. Если в процессе проектирования здания расчет показывает неудовлетворительность нормируемой величины, то проектировщик должен выбрать элемент конструкции здания, который необходимо улучшить. СНиП 23.02-2003 [1] не дает на этот счет никаких рекомендаций. Большое количество включенных в нормируемую величину q_h des потоков теплоты приводит к незначительности воздействия на результат каждого отдельного потока. Например, повышение коэффициента теплотехнической однородности стены с 0,6 до 0,7 или замена окон с повышением приведенного сопротивления теплопередаче на 0,1 м 2 ·°С/Вт во многих случаях не изменят нормируемой величины даже на пару процентов. В процессе использования такой методики у проектировщика постепенно складывается представление о несущественности отдельных мероприятий по улучшению теплозащитных свойств конструкции. У специалистов, ответственных за принятие непосредственных решений по выбору теплозащитных мероприятий, практически отсутствует инструмент оценки эффективности этих мероприятий и нет желания их анализировать.

Предложения по нормированию теплозащиты оболочки здания

Рассмотрев основные недостатки концепции нормирования теплозащиты в действующем СНиП 23.02-2003, можно указать пути их преодоления.

Новый СНиП по тепловой защите должен содержать как поэлементные требования, так и комплексное требование к оболочке здания. При этом комплексное требование должно стать основным, обладать простотой и четкостью определений и быть согласованным с поэлементными требованиями.

Наиболее простой комплексный показатель тепловой защиты оболочки здания – это уже отмеченное выше слагаемое в формуле (8) K_комK_общ. Иногда эту величину называют удельной отопительной характеристикой здания. Ранее, например в [4], эта величина называлась удельной тепловой характеристикой здания, затем этим термином стали называть величину, выраженную формулой (7). Чтобы избежать путаницы понятий предлагается называть эту величину удельный коэффициент теплопередачи оболочки здания, а обозначать K_V, Вт/(м 3 ·°С). Легко видеть, что она определяется формулой:

(10)

Так как для большого числа конструкций возникают проблемы с разделением дополнительных тепловых потерь через неоднородности на стыках между различными конструкциями, допустимо использование для определения KV прямой формулы:

(11)

где L_j – протяженность линейной неоднородности j-го вида, м;

Ψ_j – удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м·°С);

N_m – количество единичных неоднородностей m-го вида на здании, шт.;

ΔК_m – удельные потери теплоты через единичную неоднородность m-го вида, Вт/°С;

R_o,i усл – условное сопротивления теплопередаче i-го ограждения, м 2 ·°С/Вт.

Формула (11) удобна тем, что не требует для своего использования промежуточного нахождения приведенного сопротивления теплопередаче. Из этой формулы следует, что для вычисления K_V нет необходимости решать проблему разделения отдельных неоднородностей между конструкциями. Например, при определении приведенного сопротивления теплопередаче в случае модульного остекления, окажется излишним постоянно возникающий вопрос – куда относить стык между утепленной и светопрозрачной частями остекления? Кроме того, формула (11) представляется удобной для целей гармонизации с зарубежными нормами.

Гистограмма значений удельного коэффициента теплопередачи оболочки для современных зданий в Москве; красным цветом выделено значение для многоподъездного жилого дома, построенного в 1970-е годы

На рис. 1 приведена гистограмма значений удельного коэффициента теплопередачи оболочки для современных зданий, построенных в Москве. Значения получены на основании обсчета по проектной документации. Здания взяты из одного климатического района, этим исключается влияние на результат величины ГСОП. Здания на гистограмме упорядочены по возрастанию отапливаемого объема слева направо.

По гистограмме видно, насколько разнообразны значения KV, несмотря на то, что все дома выполнены по одним нормативным требованиям в одной климатической зоне. Общепринятое представление о снижении тепловых потерь через оболочку здания с увеличением его размера прослеживается с трудом. Единственное здание советского периода (красный столбец на гистограмме), построенное в 1970-е годы, то есть еще до всякого реформирования норм, выделяется не слишком сильно. Такое небольшое отличие удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания, построенного по старым нормам, выглядит удивительно, учитывая увеличившиеся нормативные требования к стенам зданий в 3–4 раза. Очевидно, что фактический резерв энергосбережения даже при нынешних поэлементных требованиях еще велик.

В связи с направленностью рассматриваемого предложения на упрощение требований и методик расчетов при новом нормировании, нельзя не остановиться на большом количестве вариантов требований, представленных в СНиП 23.02-2003. Отдельные требования для жилых зданий, отдельные для административных и отдельные для производственных. Кроме того, существуют оговорки для различных уровней остекленности здания. Такое многообразие однотипных требований не может не привести к путанице. Не совсем ясно, почему одно и то же по форме, климатическому району строительства и внутреннему микроклимату здание в зависимости от его формального обозначения жилым, административным или производственным должно иметь разные тепловые потери через оболочку здания. Почему сейчас офис имеет право терять больше тепла, чем его «близнец», названный гостиницей? Ранее, когда нормирование осуществлялось по температуре внутренней поверхности ограждающей конструкции, такое разделение еще было объяснимо, но сейчас требования к приведенному сопротивлению теплопередаче фактически уже давно не увязаны с температурами на поверхностях ограждений.

В то же время, такой формальный подход предполагает, что здание всегда будет эксплуатироваться единообразно. Что офис будет оставаться офисом, квартира – квартирой и т. д. Откуда у авторов норм была такая уверенность – непонятно. Ведь у нас у всех перед глазами множество противоположных примеров. Да и здания пока что строятся с длительными сроками эксплуатации, а угадать, что потребуется хозяевам здания через 50 лет, невозможно.

Предлагаем оставить один набор требований, как поэлементных, так и комплексных, зависящий только от ГСОП региона строительства. В этом случае в требованиях будет значительно проще ориентироваться, а возможностей для злоупотреблений останется меньше. Исключение можно сделать только для некоторых реконструируемых зданий.

Требование для комплексного показателя тепловой защиты оболочки здания предлагается сформулировать в виде:

(12)

Согласованность требований к удельному коэффициенту теплопередачи оболочки может быть достигнута за счет выбора определенной, эталонной, формы здания. Для зданий эталонной формы могут быть рассчитаны максимально допустимые значения удельных коэффициентов теплопередачи оболочки K_V тр по минимально допустимым поэлементным значениям приведенного сопротивления теплопередаче всех ограждающих конструкций. Тогда с минимально допустимыми сопротивлениями теплопередаче отдельных конструкций удовлетворять требованию (12) смогут только идеальные по форме здания (совпадающие с эталонными). В случае усложнения формы здания потребуется увеличивать теплозащиту отдельных ограждений, причем выбор этих ограждений остается за проектировщиком. СНиП же должен предоставить только инструментарий для быстрого и эффективного поиска оптимального решения.

Минимально допустимые приведенные сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций зависят от климатических параметров, например ГСОП, поэтому очевидно, что и требуемые значения удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания, определенные по эталонному зданию, окажутся также зависящими от климатических параметров.

Максимально допустимые удельные коэффициенты теплопередачи оболочки здания K_V тр в зависимости от объема здания и ГСОП приведены в табл. 1.

Для ГСОП конкретного места строительства объекта значение K_V тр получается из таблицы интерполяцией.

График зависимости удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания от отапливаемого объема для ГСОП Москвы

По табл. 1 можно построить график зависимости требуемых значений удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания от отапливаемого объема для определенных ГСОП. На рис. 2 построен такой график для ГСОП 5000 (красная линия), там же отложены в виде отдельных точек (синие ромбы) данные для зданий, построенных в Москве, приводившиеся на рис. 1. Видно, что только половина зданий, построенных по СНиП 23.02-2003, удовлетворяют предлагаемым требованиям. Дополнительно на рис. 2 зеленой линией показан график требований к такой же характеристике по нормам 1939 года [4]. Тогда удельная тепловая характеристика рассчитывалась только по тепловым потерям через ограждающие конструкции и была близка к введенному здесь удельному коэффициенту теплопередачи оболочки здания. Основное различие заключалось в том, что в 1939 году использовалось условное сопротивление теплопередаче конструкции, а сейчас при нормировании требуется использовать приведенное сопротивление теплопередаче.

Пример сравнения теплопотерь зданий при помощи удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания

Целесообразность предлагаемого метода нормирования при помощи удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания вытекает из примера сравнения теплозащиты двух условных зданий равного объема, но разной формы. Схематично эти здания изображены на рис. 3. Здание а) – 9-этажное многоподъездное, 118 × 18 × 28 м. Здание б) – башенного типа, высотой 98 м. Геометрические и теплотехнические данные зданий сведены в табл. 2 и 3. Приведенные сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций одинаковы для обоих зданий и приняты немного большими минимально допустимых по табл. 4 СНиП 23.02-2003 с учетом п. 5.13 при ГСОП = 5 000 °Ссут./год. Приведенные сопротивления теплопередаче пола первого этажа приняты повышенными, так как их фактические значения в строящихся зданиях выше нормативных, что обусловлено наличием утепления стен подвалов и утилизацией технологической теплоты в подпольях. Результаты расчетов теплозащитных показателей зданий сведены в табл. 4.

Схематическое изображение формы зданий для сравнения показателей теплозащиты оболочки:

а) 9-этажное многоподъездное здание, 118 × 18 × 28 м;

б) здание башенного типа, высотой 98 м

Максимально допустимое значение удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания по предложенной табл. 1 для данного объема зданий составляет 0,135 Вт/( м 3 ·°С). Следовательно, здание а) удовлетворяет предложенному критерию теплозащиты, а здание б) – нет. Здание б) теряет через свою оболочку теплоты на 4,5 % больше, чем допустимо по табл. 1, и на 25 % больше, чем здание а).

Рассматриваемый подход можно применить для выбора оптимального мероприятия по повышению теплозащиты оболочки здания б) до уровня, регламентированного табл. 1. Из табл. 3 следует, что влияние дверей, кровли и пола первого этажа слишком мало, чтобы их изменение привело к экономии необходимого количества тепловой энергии. Следует изменять теплозащиту либо стен, либо окон для экономии 4,5 % от всех тепловых потерь. В случае повышения тепловой защиты оболочки здания за счет стен, необходимо уменьшить тепловые потери через стены примерно на 10 %, то есть повысить приведенное сопротивление теплопередаче стен до 2,2 (м 2 ·°С)/Вт, поскольку доля стен в общих теплопотерях оболочки здания составляет 49 %.

Проверочный расчет показывает, что при приведенном сопротивлении теплопередаче стен 2,2 (м 2 ·°С)/Вт удельный коэффициент теплопередачи оболочки здания K_V = 0,135 Вт/(м 3 ·°С), то есть такое изменение теплозащиты стен позволит удовлетворить требованиям табл. 1.

Предложенный метод позволяет также рассмотреть возможное снижение тепловой защиты стен здания а) до такой степени, чтобы K_V повысилось до допустимого табл. 1 предела и стало равно 0,135 Вт/(м 3 ·°С). Аналогичные рассуждения показывают, что для этого можно снизить приведенное сопротивление теплопередаче стен до значения 1,38 (м 2 ·°С)/Вт, что соответствует санитарно-гигиеническим требованиям к стенам по [1]. Таким образом, требования по теплозащите оболочки здания можно выполнить при значительно более низком значении сопротивления теплопередаче стен, чем регламентируется современным СНиП, что позволяет получить значительный экономический эффект (в том числе за счет энергосбережения) при строительстве здания.

После приведения удельного коэффициента теплопередачи оболочки зданий а) и б) к максимально допустимым значениям эти здания стали эквивалентными по тепловым потерям через оболочку. Однако здание а), более рационально скомпонованное, позволяет достичь этого результата с меньшим на 60 % сопротивлением теплопередаче стен. Весьма важно и симптоматично, что в этом случае здание а) не удовлетворяет поэлементным требованиям СНиП 23.02-2003, а здание б) – удовлетворяет. То есть в ситуации эквивалентности тепловых потерь ныне действующий СНиП делает выбор в пользу менее рационального здания.

Рассмотренные в примере здания имеют одинаковый объем, коэффициент компактности, коэффициент остекленности, одинаковые приведенные сопротивления теплопередаче отдельных конструкций. В общем-то это здания-близнецы по формальным критериям ныне действующего СНиП [1]. Но тепловой энергии через оболочку здания одно из них теряет на 25 % больше, чем другое. Результат совершенно не очевидный в рамках методики расчета действующего СНиП [1], но вполне закономерный и непосредственно отражающий возможности экономии тепловой энергии.

Заключение

Предложено использовать для нормирования теплозащиты оболочки здания комплексный показатель – удельный коэффициент теплопередачи оболочки здания, который включает параметры теплозащиты всех ограждающих конструкций здания и только их. Данный показатель является естественным развитием применявшейся ранее для оценки энергосбережения удельной тепловой характеристики здания. Отличием предложенного показателя от нормируемого действующим в настоящее время СНиП 23.02-2003 «Тепловая защита зданий» удельного расхода тепловой энергии на отопление здания является то, что в него не входят параметры, характеризующие воздухообмен, инсоляцию, тепловыделения в здании, в том числе систему отопления. Такой подход к нормированию тепловой защиты позволит, с одной стороны, выделить роль тепловой защиты в комплексе энергосберегающих мероприятий, а с другой стороны – определить наиболее слабые в теплозащитном отношении элементы конструктивного решения оболочки здания.

Применение данного комплексного показателя, в совокупности с поэлементным нормированием и нормированием по экономическим показателям теплозащиты ограждающих конструкций, позволит существенно повысить энергоэффективность проектируемых зданий.

Литература

1. СНиП 23.02-2003 Тепловая защита зданий. – М., 2004.

2. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника. – М., 1998.

3. СНиП 2.04.05-91* Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М., 1998.

4. Нормы определения теплопотерь через ограждения зданий и расчетных температур. ОСТ 90008-39. Комитет по делам строительства при СНК Союза ССР. – М.-Л., 1939.

Источник

• ← Базовое значение поэлементных требований rт что это такое
• Базовое лпу что это →