Методика эффективного расчёта утепления наружных ограждающих конструкций стен зданий при проведении капитального ремонта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.865

П. В. ПЕТРОВ М. С. ШЕРСТОБИТОВ Е. М. РЕЗАНОВ В. Р. ВЕДРУЧЕНКО

Омский государственный университет путей сообщения

МЕТОДИКА

ЭФФЕКТИВНОГО РАСЧЕТА УТЕПЛЕНИЯ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТЕН ЗДАНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА

Разработана методика эффективного расчета утепления наружных ог раждающих конструкций стен зданий при проведении капитального ремонта, учитывающая определение оптимальной толщины тепловой изоляции. Научная разработка учитывает нормативные документы по тепловой з ащите зданий и обоснование применяемых экономических решений. Обоснована целесообразность применения предложенной методики, позволяющей снизить приведенные з а траты при ка питальном ремонте зданий. Ключевые слова: эффективность, затраты, тепловая энергия, теплопередача, огр аж-дающие конструкции, оптимальная толщина.

Одним из требований, поставленных перед жилищным фондом, является сбережение тепловых энергетических ресурсов в жилых и общественных зданиях. Такие требования отвечают Федеральному закону РФ № Э84-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30 декабря 2009 года и № 399 «О внесении изменений в Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...» от 28 декабря 2013 года. Результатом такой политики будет снижение единовременных затрат на капитальный ремонт зданий, а также потребляемых ими в будущем энергетических ресурсов.

Эксплуатацию зданий в настоящее время невозможно представить без применения современных сберегающих тепловую энергию процессов, отвечающих определенным стандартам качества. К таким процессам относят использование теплоизолирующих современных строительных материалов, регулирующего оборудования, а также замену устаревших систем.

Термографическое обследование и исследования работы теплового режима зданий показывают [1], что наибольшие изменения в области повышения эффективности утепления тепловой изоляцией ограждений в последнем десятилетии обусловлены ужесточением норм к их теплозащитным свойствам.

В настоящее время к тепловой защите зданий, согласно методике СП 50.13330.2012 [2, с. 3], предъявляют комплекс требований: приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых значений; температура на внутренних поверхностях

ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений; удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемой. Решающим показателем тепловой защиты зданий и его энергетической эффективности выбран класс энергосбережения и удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию. Такое решение продиктовано постановлением Правительства РФ № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и ...» от 25.01.2011 года.

Одним из основных мероприятий повышения класса энергосбережения и снижения расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий является утепление тепловой изоляцией наружных ограждающих конструкций его стен, так как потери тепловой энергии через стены в общем балансе достигают 30 % и более [1, с. 32].

На основании [2, с. 23] введем выражение для определения класса энергосбережения здания «КЭ», %:

КЭ = ((др-д£ )/?р >100,

(1)

где д от — нормируемая удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания (выбирается согласно табл. 13, 14 [2, с. 23]), Вт/ (м3.°С); др — расчетная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, Вт/(м3.°С) (определяется согласно приложению Г [2, с. 32 — 37]).

С другой стороны, согласно нормативным требованиям [2, с. 24 — 25], при оценке здания с КЭ больше

+15 % необходимо проводить реконструкцию, соответствующую экономическому обоснованию. При условии —15 % < КЭ < +15 % — мероприятия по энергосбережению не разрабатываются, а при КЭ ниже —15 % — экономически стимулируются. Такой подход к соблюдению норм и возможность снизить капитальные затраты на ремонт зданий требуют поиска оптимального решения.

Авторами данной работы для капитального ремонта зданий разработан алгоритм расчета (2) — (12) и получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Определение оптимальной толщины утепления тепловой изоляцией ограждающих конструкций стен здания» [3]:

86400-2 • Ц • 1 • (уР • (( . -( )• п)

от т ут \/ , I ,ст \ в, I н / /

Г0 • Л- (Ест + Нст )-Цут • Рут

о ч

уст ут

^^Аут)}^ +упк-Ск)

_УР, ст_

Ур,с/ЯГНЯт +(з^т/1ут)))

1 5 уст 5опт 1

Я усл _ __|_У__1__+ У +___

0,! а, 1Г 1 ут 12'

ДоТст =1/((1/л0усулст )+УГ •у уст +Упуст •хГ)'

я-=(у р )|у[р ^^ |11,

Ест = Г/ (1-еХР(- Г • Ток )) '

Ток =(1п(1+Го • Г ))/(1п(1+г )),

(ц •б"" + ц б ) •Р (я

Т __ут ут ^^ раб / у7 \ уст

0 ц ^86400 2от •(у Р. ст-((в.-Ь„ ) •п) • +(б упт/1 ут)) •Л Г0 япуст

[(Яуст +(бупт/1 ут )) Л Г0 -япуст ]

и _86400^ • цт•(урст• ((в, .-(н)• п) +

Г0 • (Яуст +(s0TT/1or )) + (цут^ бупт +цраб > (Ест +Нст ) • Рут

(2)

(3)

(4)

Яуст =71 +((УР,ст )/(У(Р,ст /(у(буст/1уст )))))+-1' (5)

(6)

(7)

(8)

(9) (10)

(11)

(12)

фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, при утеплении его снаружи теплоизоляционным материалом;

Ц^ — стоимость 1 м3 утепляющего материала, р./м3; Ест — коэффициент эффективности инвестиций в утепление наружных ограждающих конструкций стен здания, 1/год;

Нст — норма отчислений на амортизацию и ежегодное обслуживание ограждающих конструкций стен здания, 1/год;

яуст — установленное сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции стен здания, (м2°С)/Вт;

1ут — теплопроводность утепляющего слоя ограждающей конструкции стен здания, Вт/ (м'°С); Цт — тариф на тепловую энергию, р./Дж; I. — протяженность линейной неоднородности ]-го вида после утепления, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки стен здания [2, с. 43], м/м2;

У,

удельные потери тепловой энергии через ли-

нейную неоднородность л-го вида после утепления [2, с. 44], Вт/м'°С;

пк — количество точечных неоднородностей к-го вида после утепления, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки стен здания [2, с. 43], шт./м2; Ск — удельные потери тепловой энергии через точечную неоднородность к-го вида после утепления [2, с. 45], Вт/°С;

Р.. ст — площадь 1-й части фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, м2;

Рут — общая площадь утепляющей теплозащитной оболочки стен здания, м2;

яусл — условное сопротивление теплопередаче однородной части фрагмента теплозащитной оболочки стен здания .-го вида, после утепления его тепловой изоляцией, (м2°С)/Вт; г — норма дисконта [4]; Ток — срок окупаемости, лет;

а1, а2 — коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней поверхности ограждающих конструкций [2, с. 6-8], Вт/ (м2, °С);

5у

толщина 1-го слоя установленной огражда-

где 5оутпт — оптимальная толщина утепляющего слоя тепловой изоляции ограждающих конструкций стен здания, м;

Г0 — коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции после утепления, учитывающей влияние стыков, откосов проемов, обрамляющих ребер, гибких связей и других теплопроводных включений;

Л — коэффициент расхождения осредненности по площади условного сопротивления теплопередаче

ющей конструкции, м;

Ху" — теплопроводность 1-го слоя установленной ограждающей конструкции, Вт/ (м' °С); (в. — расчетная температура внутреннего воздуха .-го помещения в здании [2, с. 4], °С; (н, 2от — расчетная температура наружного воздуха в холодный период года и продолжительность отопительного периода [5], °С, сут/год; п — коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху [6]; т0 — бездисконтный срок окупаемости инвестиций за счет номинальной величины дохода, лет; Цраб — стоимость 1 м2 работ по утеплению ограждающих конструкций стен здания с учетом прочих расходов, р./м2;

яоп.руст — установленное приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, (м2, °С)/Вт;

яоу.сулст — осредненное по площади установленное условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, (м2, °С)/Вт;

/уст

I, — протяженность линейной неоднородности го вида до утепления, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, м/м2;

уст

у, — удельные потери тепловой энергии через линейную неоднородность ,-го вида до утепления, Вт/м'°С;

1

2

Рис. 1. Структурная схема методики эффективного расчета утепления наружных ограждающих конструкций стен зданий при проведении капитального ремонта

луст — количество точечных неоднородностей к-го вида до утепления, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки стен здания, шт./м2; С ут— удельные потери тепловой энергии через точечную неоднородность к-го вида до утепления, Вт/°С;

И^ — приведенные дисконтированные затраты по утеплению ограждающих конструкций стен здания, р./год;

Цраб — стоимость 1м2 работ по утеплению ограждающих конструкций стен здания, р./м2.

Помимо выполнения нормативных требований тепловой защиты зданий, выбора материала и расчета толщины утеплителя, необходимо учитывать степень долговечности ограждающей конструкции.

Степень долговечности выбранной ограждающей конструкции стен здания сводится к определению его прогнозируемого срока службы и допустимого к эксплуатации.

Учитывая вышесказанное, предлагается методика эффективного расчета утепления наружных ограждающих конструкций стен здания при проведении капитального ремонта. Структурная схема методики представлена на рис. 1, где:

А(н — нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции [2, с. 7], °С;

Аí р — расчетный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции после утепления [7], °С;

Я1р — базовое значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции [2, с. 3], (м2,°С)/Вт; Допр —приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания [2, с. 43], (м2,°С)/Вт;

коб — удельная теплозащитная характеристика здания [2, с. 48], Вт/(м2'°С);

к — удельная вентиляционная характеристика вент ,, здания [2, с. 33], Вт/(м2'°С);

кбыт — удельная характеристика бытовых тепловыделений здания [2, с. 35], Вт/(м2,°С); крад — удельная характеристика теплопоступлений в здание от солнечной радиации [2, с. 35], Вт/ (м2,°С); дурт — расчетная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания после утепления, Вт/(м3,°С);

Таблица 1

Сравнительные результаты расчета разработанной методики, применительно к ограждающим конструкциям стен и условиям эксплуатации жилого пятиэтажного панельного здания в г. Омске

Наименование параметров Обозначение Размерность Значение

1 3 4 5

Экономические г — 0,15

Ест 1/год 0,186

Нст 1/год 0,011

Цут р./м3 2200

Цраб р./м2 2800

Цт р./Дж 3,583 10-7

Теплотехнические Аут Вт/( м-°С) 0,04

Дуст (м2°С)/Вт 1,077

го — 0,878

пнорм (м2-°С)/Вт 3,5

д ор Вт/м30С 0,359

АР °С 4

Предлагаемые при проектировании ¿ут м 0,05/0,1/0,15

ИуТ 105-р./год 9,12/9,04/8,96

?р Вт/м30С 0,38/0,34/0,28

КЭут % + 5,5/-5,6/-28,2

Агут °С 0,45/0,32/0,22

К" (м2-°С)/Вт 2,04/3,14/4,24

Тж лет 12,8/11,6/10,6

Тд лет 18/26,2/39,2

т лет 34,2/37,4/47,1

Определенные по предложенной методике 8™ м 0,12

Иут 105-р./год 8,84

?р Вт/м30С 0,293

КЭут % -22,5

АС °С 0,257

(м2-°С)/Вт 3,62

Ток лет 10,8

Тд лет 31,4

т лет 39,6

КЭ^ — класс энергосбережения здания после утепления, %;

^н°рм — нормируемое приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции [2, с. 3], (м2'°С)/Вт;

Гд — допустимый срок эксплуатации утепляющего материала [8], год;

т — время до выхода из строя теплоизоляционного слоя (прогнозируемый срок службы) по критерию потери теплозащитных свойств [9], год.

Сравнительные результаты расчета использования предложенной разработки, применительно к утеплению стен и условиям эксплуатации жилого пятиэтажного панельного здания 1970 года постройки в городе Омске (отапливаемый объем 8200 м3, отапливаемая площадь 2545 м2, существующий класс энергосбережения +16,1 % «Б» пониженный, площади наружных стен: жилой части — 1182 м2; общественной части — 208 м2; общей утепляющей теплозащитной оболочки — 1390 м2), представлены в табл. 1.

Анализ данных (табл. 1) показывает, что применение предложенной методики, учитывающей расчет оптимальной толщины тепловой изоляции, способствует определению наименьших приведенных дисконтированных затрат (И^ = 884000 р./год) при соблюдении нормативных требований (класс энерго-

сбережения КЭ = —22,5 %, «В» высокий) и степени долговечности ограждающей конструкции.

Выводы.

1. Разработана методика эффективного расчета утепления наружных ограждающих конструкций стен здания при проведении капитального ремонта, с учетом нормативных документов по тепловой защите зданий и оптимальному обоснованию применяемых экономических решений.

2. Результаты исследования подтверждают целесообразность использования предложенной методики при проведении капитального ремонта.

Библиографический список

1. Основные направления совершенствования тепловой работы зданий и сооружений при капитальном ремонте / П. В. Петров [и др.] // Энергетика и ЖКХ. - 2015. - № 3 (34). - С. 30-33.

2. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий (Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003). - Введ. 2013-07-01. - М. : ФАУ «ФЦС», 2012. - 96 с.

3. Свидетельство № 2016616691 Российская Федерация. Определение оптимальной толщины утепления тепловой изоляцией ограждающих конструкций стен здания : свидетельство

о гос. per. программы для ЭВМ / Петров П. В. — № 2016614064 ; заявл. 20.04.2016 ; опубл. 20.07.2016.

4. Ковалев, И. Н. Рациональные решения при экономическом обосновании теплозащиты зданий / И. Н. Ковалев // Энергосбережение. - 2014. - № 8. - С. 14-19.

5. СП 131.13330.2012. Строительная климатология (Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*). - Введ. 2013-01-01. -М. : НИИСФ РААСН, 2012. - 109 с.

6. Сибикин, Ю. Д. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха : учеб. пособие / Ю. Д. Сибикин. - М. : Академия, 2016. - 336 с.

7. Определение оптимальной толщины тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте / П. В. Петров [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2015. - № 3 (143). -С. 254-258.

8. Захарьин, Е. Н. Долговечность экструзионного пено-полистирола. Оценка и прогнозирование теплопроводности : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.05 / Е. Н. Захарьин. -Красноярск : СФУ, 2011. - 156 с.

9. Иванцов, А. И. Прогнозирование срока службы наружных стен жилых зданий по потере требуемой теплозащиты :

дис. ... канд. техн. наук. КГАСУ, 2014. - 159 с.

05.23.01 / А. И. Иванцов. - Казань :

ПЕТРОВ Павел Владимирович, аспирант кафедры теплоэнергетики Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), заместитель директора ООО «Сибирская проектная компания», г. Омск.

ШЕРСТОБИТОВ Михаил Сергеевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики ОмГУПС. РЕЗАНОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики ОмГУПС.

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики ОмГУПС. Адрес для переписки: rezanove1@mail.ru

Статья поступила в редакцию 12.10.2016 г. © П. В. Петров, М. С. Шерстобитов, Е. М. Резанов, В. Р. Ведрученко

Книжная полка

Кузнецов, Е. М. Электрооборудование насосных установок для нефтедобычи и перекачки жидкостей : учеб. пособие / Е. М. Кузнецов, О. А. Лысенко, Д. В. Рысев. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 150 с.

Рассматриваются электропогружные и наземные установки с центробежными насосами и преобразователями частоты, применяемые в современных электротехнических комплексах для добычи нефти из глубинных скважин и перекачки жидкостей по трубопроводам. Для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», и магистрантов, проходящих подготовку по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».

Михеев, Г. М. Электротехника и энергетика. Цифровая диагностика высоковольтного электрооборудования / Г. М. Михеев. - М. : ДМК Пресс, 2015. - 100 с. - ISBN 978-5-97060-268-3.

В книге приводятся традиционные и новые ресурсосберегающие методы и устройства диагностики под-станционного оборудования электростанций и электрических сетей энергосистем, такого как силовые трансформаторы на классы напряжения 35.750 кВ и установленные на них регуляторы под нагрузкой, а также высоковольтные выключатели 6.500 кВ и разрядники 35.500 кВ. Рассчитана на инженерно-технический персонал предприятий, электростанций и электросетей, выполняющий работы по ремонту, эксплуатации и диагностике высоковольтного электрооборудования, а также на научных работников, студентов и аспирантов, занимающихся вопросами диагностики и контроля мощных силовых трансформаторов, коммутационных аппаратов, средств защиты от перенапряжения.

Иванов, С. Пошаговая инструкция по разработке проекта внутреннего электроснабжения (+CD-ROM) / С. Иванов, А. Васильев. - СПб. : Заневская площадь, 2015. - 78 с. - ISBN 978-599054451-8-2.

Настоящее пособие представляет собой пошаговую инструкцию по разработке проекта внутреннего электроснабжения. В форме таблиц, иллюстраций и текстовых пояснений представлены практические рекомендации по проектированию. Особенностью данного издания является сочетание теоретических основ, практических рекомендаций и определений основных понятий, относящихся к разработке проекта внутреннего электроснабжения. Книга написана на основе практического опыта авторов в области проектирования систем электроснабжения промышленных, жилых и общественных зданий, а также преподавательской деятельности. Предлагаемая книга рассматривает вопросы оформления рабочей документации и в основном предназначена служить практическим пособием для тех, кто только начал осваивать профессию инженера-проектировщика систем электроснабжения. Данное пособие адресовано инженерно-техническим работникам, проектировщикам, производителям электромонтажных работ, студентам технических вузов.