Анализ различных подходов к определению требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен здания НАРУЖНЫХ СТЕН ЗДАНИЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Анализ различных подходов к определению требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен здания

Зарецкая M.A., ТОГУ г. Хабаровск, Россия

Абстракт

Экономика Российской Федерации отличается высокой энергоёмкостью. По объёмам энергопотребления в стране жилищный сектор занимает второе место, около 25%. Для обеспечения рационального использования энергетических ресурсов требуется повышать энергоэффективность существующих зданий и устанавливать нормы энергоэффективности для вновь проектируемых и возводимых зданий и сооружений. Одним из важнейших показателей, определяющих энергетическую эффективность здания или сооружения, является термическое сопротивление теплопередаче его ограждающих конструкций.

На основе анализа существующих подходов рассмотрена проблема выбора определяющего показателя, позволяющего наиболее точным образом рассчитать требуемое термическое сопротивление наружных стен здания. Сделан вывод о неэффективности утепления стен выше нормативных значений в целях энергосбережения и о непременном условии выполнения санитарно-гигиенических нормативов при проектировании и строительстве ограждающих конструкций с заданным сроком эксплуатации.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, сопротивление теплопередаче, тепловой комфорт, долговечность конструкции, наружные стены.

Введение

стена утепление сопротивление энергосбережение

Экономика Российской Федерации отличается высокой энергоёмкостью (большое количество затрачиваемой энергии на производство единицы ВВП). На сегодняшний день перед нами стоит задача сохранения окружающей среды и, прежде всего, источников углеводородного сырья для ТЭК последующих поколений. По объёмам энергопотребления в стране жилищный сектор занимает второе место, около 25%. Самопроизвольный перенос тепловой энергии всегда происходит от более нагретой среды к менее нагретой. Через толщу наружных стен здания в процессе его эксплуатации в зимний и переходный периоды непременно возникают тепловые потери. Процесс переноса теплоты между двумя средами через разделяющую их стенку называется теплопередачей. Она включает в себя все три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и излучение. Потери теплоты, вызванные теплопередачей через наружные ограждающие конструкции, вносят существенный вклад в энергетический баланс здания [1-3]. Они определяют общий уровень тепловых потерь в масштабах всего жилищно-коммунального хозяйства. Кроме того, термическое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций здания является важнейшим показателем его энергетической эффективности.

За годы существования Российской Федерации, нормативные требования к величине коэффициента теплопередачи наружных стен были изменены в сторону увеличения в несколько раз [4, 5]. Однако отсутствие системного подхода выразилось в разработке конструкций с чересчур завышенным сроком эксплуатации. В результате затраты на их восстановление, превысили предполагаемую экономию от сокращения расходов на отопление зданий [6]. Поэтому вызывает интерес, какой именно фактор следует считать определяющим при установлении нормируемого сопротивления теплопередаче наружных стен здания.

Основная часть

Термическое сопротивление теплопередаче как средство обеспечения теплового комфорта человека. Сама идея устройства систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха была разработана с целью создания благоприятных условий в помещении при эксплуатации здания. По действующей нормативной литературе, к микроклимату современных помещений выдвигается ряд требований. Так, например, должны соответствовать расчетным значениям, установленным исходя из необходимости создания благоприятных санитарно-гигиенических условий в помещениях, следующие теплотехнические характеристики [7, ст. 29]:

сопротивление теплопередаче ограждающих строительных конструкций здания или сооружения;

разность температуры на внутренней поверхности ограждающих строительных конструкций и температуры воздуха внутри здания или сооружения во время отопительного периода;

теплоустойчивость ограждающих строительных конструкций в теплый период года и помещений здания или сооружения в холодный и переходный период года;

сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций;

сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций;

теплоусвоение поверхности полов.

Именно создание комфортных санитарно-гигиенических условий является основным требованием к микроклимату помещений. Обеспечить подходящие температурные условия в помещении возможно двумя способами. Во-первых, система отопления здания должна обеспечивать требуемую температуру воздуха в помещении. Во-вторых, необходимо чтобы термическое сопротивление теплопередаче наружных ограждений гарантировало, что температура на внутренней поверхности ограждения не будет ниже допустимого предела.

Закономерно задать вопрос, какой именно температурный режим следует считать комфортным? Согласно требованиям [8] комфортным является микроклимат, который назовут таковым более 80% респондентов. Но, к сожалению, ни один нормативный документ, действующий на территории Российской Федерации, не дает прямых указаний, каким образом можно определить процент людей, удовлетворенных или неудовлетворенных микроклиматом. В зарубежной литературе, в частности в [9] используется метод оценки теплового комфорта, предложенный П. Фангером. Расчет процента респондентов, удовлетворенных микроклиматом помещения (PPD) основан на уравнении теплового баланса тела человека. Максимально возможное значение PPD, согласно ISO 7730, равно 95%.

Исследования теплового комфорта человека и факторов, оказывающих на него определяющее влияние [10-12], показали, что при заданных параметрах температуры внутреннего воздуха, тепловой комфорт зависит от температуры внутренней поверхности наружного ограждения в холодный период года. Она должна быть такой, чтобы вблизи стен не возникало ощущение сквозняка. Например, по результатам исследований [10], разность температур воздуха и внутренней поверхности наружного ограждения не должна превышать 4°С для обеспечения приемлемого уровня комфортности. Отметим, что действующая нормативная документация [5] так же указывает именно это значение перепада температур как максимально допустимое в холодный период года.

Следовательно, для обеспечения достаточного уровня теплового комфорта, система отопления здания, вне зависимости от конструкционных особенностей наружных ограждений, должна обеспечить требуемую температуру внутреннего воздуха. В свою очередь наружные ограждения должны обеспечить температуру на своей внутренней поверхности не ниже допустимого значения. Санитарно-гигиенические требования к величине термического сопротивления теплопередаче должны выполняться в любом случае. Из этого следует, что определяющим фактором при определении требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций должно быть обеспечение требуемой температуры на их внутренней поверхности.

Термическое сопротивление теплопередаче как способ энергосбережения. Считается, что кроме логики обеспечения теплового комфорта для человека, в современных требованиях неизбежно учитывается и экономическая составляющая процесса строительства и эксплуатации зданий. Рассмотрим вопрос более подробно.

Значительное время в нашей стране (вплоть до 60х годов XX века) плотность заселения квартир в жилых домах имела крайне высокое значение, порядка 3-5 м2 на одного человека. Поэтому бытовые тепловыделения (приготовление пищи, стирка и сушка белья и т.д.) так же были существенными. Высокая влажность и нехватка чистого воздуха для дыхания требовали использования естественной вентиляции помещений (путем открывания форточки или створки окна). В результате огромное количество тепла вынужденно удалялось с вентиляционным воздухом. Вопрос об экономии затрат на отопление или о повышении теплозащитных свойств ограждающих конструкций был исключен условиями эксплуатации жилого фонда.

К концу XX столетия российские ученые обнаружили существенное отставание нашей страны в вопросах энергосбережения в строительстве и ЖКХ от зарубежного, в частности европейского и американского, уровня. Появились высказывания, что в России расходуется в 2-2,5 раза больше топлива на обогрев зданий, чем в западных странах, находящихся в подобных климатических условиях. Ученые предположили, что причина в низких теплозащитных свойствах наружных стен. Более высокая плотность проживания и как следствие увеличенные тепловые потери с уходящим вентиляционным воздухом во внимание приняты не были. В нормативной литературе того времени [4] нашла отражение теория, что увеличение требуемого термического сопротивления стен в несколько раз должно позволить снизить затраты тепла на отопление зданий с естественной вентиляцией на 40 %. Однако, последующая практика эксплуатации зданий с повышенным значением сопротивления теплопередачи наружных стен не подтвердила ожидаемую экономию тепловой энергии. Увеличение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен здания не компенсируется эквивалентной с экономической точки зрения экономией тепловых ресурсов. К аналогичным результатам приводят и множественные научные исследования, в том числе проведенные в ТОГУ. Коллективом авторов (Псаров С.А., Шумилин Е.В., Зарецкая М.А.) был проведен анализ энергосберегающих мероприятий в системах теплопотребления зданий на предмет энергетического эффекта от их внедрения и сроков окупаемости при существующих ценах на энергоносители. Примем следующие исходные данные для расчета: стоимость утепления наружных стен здания 2000р/м2; срок окупаемости (без дисконтирования) То=2000/114=17,5 лет и выше; период службы утепления 25 лет. В этом случае, используя номограмму [13, с.44], мы приходим к выводу, что следует отказаться от подобных инвестиций и запланировать более эффективные энергосберегающие мероприятия.

Таким образом, ни рост уровня жизни населения, ни изменение цен на энергоносители не оказывают существенного влияния на значение требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен. Значит, они не могут быть основой для определения этого значения.

Термическое сопротивление теплопередаче как способ повышения долговечности конструкции стен. В действующей нормативной литературе [5] указано, что требуемая степень долговечности ограждающих конструкций обеспечивается применением материалов, имеющих надлежащую стойкость. После введения [14], приоритетным критерием для расчета срока эксплуатации наружных стен становится сохранение требуемого уровня теплозащиты здания.

Внешние слои наружных стен (облицовка) как правило, ремонто-пригодны в процессе эксплуатации здания. Конструктивный (несущий) слой практически не меняет своих теплозащитных свойств. Таким образом, на изменение теплозащитных свойств ограждающих конструкций влияет в основном повышение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного слоя.

В своем исследовании Куприянов В.Н. предложил метод определения долговечности ограждающих конструкций в зависимости от их теплозащитных свойств [15]. Результаты, полученные в ходе его работы, позволяют оценить срок службы уже существующих наружных стен, а так же проектировать конструкции с заданным сроком службы. Для решения поставленной задачи необходимо определить такую требуемую толщину теплоизоляционного слоя, при которой через заданное количество лет (к концу срока службы ограждающих конструкций здания) коэффициент теплопроводности, а значит и коэффициент теплопередачи ограждения в целом, не превысит критическое значение.

Заключение

В данной статье рассмотрена проблема выбора определяющего показателя, позволяющего наиболее точным образом определить требуемое термическое сопротивление наружных стен здания.

Анализируя несколько существующих подходов, можно сделать вывод, что требуемое термическое сопротивление теплопередаче - это многофакторная величина. Рациональный подход к уровню тепловой защиты здания является существенным социальным и экономическим параметром. Социальным, так как тепловая изоляция совместно системами обеспечения микроклимата призвана обеспечить комфортные условия в помещениях зданий, а экономическим - так как необходимо найти баланс между капитальными затратами на строительство здания и эксплуатационными затратами на отопление, содержание и ремонт в течение всего срока службы.

Библиографические ссылки на источники

1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 600с.

2. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С. А., Соловьев С. Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках. 3-є изд. Гл. 2. Уравнение теплопроводности и методы его решения. - М.: Изд. МЭИ, 2003.

3. Телегин А.С., ТТТвыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г. Тепломассоперенос. 2-е изд. Гл. 2. Теплопроводность. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002.

4. СНиП П-3-79*. Строительная теплотехника.

5. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

6. Гагарин В.Г. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий (изменения № 3 СНиП И-3-79*). Сб. докладов III научи, -практич. конф. НИИСФ, М., 1998.

7. Федеральный закон Российской Федерации от 30.12.2009 N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".

8. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях - М.: МНТКС, 1996. - 9 с.

9. ISO 7730:2005(Е) Ergonomics of the thermal environment -- Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria - Switzerland: CH-1211 Geneva 20. - 60 c.

10. Ю. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений: расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека / пер. с венг. В.М. Беляева; под ред. В.И. Прохорова, А.Л. Наумова. М.: Стройиздат, 1981.248 с.

11. Fanger Р.О. Thermal Comfort. McGrowHill, 1970. 244 р.

12. СанПиН 2.1.2.2645-10. Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы.

13. Дмитриев А.Н., Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Руководство по оценке эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.

14. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации".

15. Куприянов В.Н., Иванцов А. И. Прогнозирование срока службы наружных стен жилых зданий по критерию теплозащиты. Известия КЛАСУ, 2014 - № 4 (30). - С. 139 -147.

Zaretskaya М.А., PNU, Khabarovsk, Russia

ANALYSIS OF DIFFERENT APPROACHES TO DETERMINING THE REQUIRED THERMAL RESISTANCE OF EXTERNAL WALLS

Abstract. The economy of the Russian Federation is characterized by high energy intensity (a large amount of energy consumed per unit of GDP). Today we are faced with the task of preserving the environment and, above all, the sources of hydrocarbon raw materials for the fuel and energy sector of future generations. In terms of energy consumption in the country, the housing sector ranks second, about 25%. To ensure the rational use of energy resources, it is necessary to improve the energy efficiency of existing buildings and establish energy efficiency standards for newly designed and erected buildings and structures. Through the thickness of the external walls of the building in the process of its operation in the winter and transition periods, heat losses to the environment necessarily arise. Therefore, one of the most important indicators that determine the energy efficiency of a building or structure is the thermal resistance to heat transfer of its enclosing structures. In conjunction with heating, ventilation and air conditioning systems, thermal resistance is also designed to provide an appropriate level of thermal comfort for the person in the room.

Based on the analysis of existing approaches, the problem of choosing a determining indicator that allows the most accurate way to calculate the required thermal resistance of the external walls of the building is considered. It is concluded that the efficiency of wall insulation is not higher than the normative values in order to save energy and an indispensable condition for the implementation of sanitary and hygienic standards in the design and construction of enclosing structures with a specified service life.

Keywords: energy efficiency, energy saving, heat transfer resistance, thermal comfort, structural durability, exterior walls.

Размещено на Allbest.ru