CC BY
38Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Town planning and architecture
УДК 692.82
В.К. САВИН1, д-р техн. наук, член-корр. РААСН, Н.В. САВИНА2, инженер (vngeo12@yandex.ru)
1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21) 2 Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Архитектура и энергоэффективность окна
Выполнена оценка обеспечения помещений зданий естественным светом, воздухом и показана ведущая роль наружного ограждения (стена+окно) при расчете потерь тепла помещениями зданий. Показано, что минимизацию энергетических затрат окон следует проводить на принципах системного анализа, рассматривая проблему не изолированно и не по частям, а как единое целое и за длительный срок.
Ключевые слова: окно, стена, естественный свет, микроклимат, критерий энергетической эффективности наружного ограждения, сопротивление теплопередаче конструкции, энергосбережение.
V.K. SAVIN1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAASN, N.V. SAVINA2, Engineer (vngeol2@yandex.ru) 1 Scientific and Research Institute of Building Physics of RAASN (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation) 2 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Hwy, 129337, Moscow, Russian Federation)
Architecture and Energy Efficiency of a Window
The assessment of ensuring the premises of buildings with natural light, air is made; a leading role of an external enclosing structure (wall+window), when calculating the heat losses of building premises, is shown. It is shown that the minimization of energy consumption of windows is to be executed on the principles of the system analysis considering the problem not in isolation and not in parts but as a whole and over the long term.
Keywords: window, wall, natural light, micro-climate, criterion of energy efficiency of external enclosure, resistance to heat transfer of structure, energy saving.
Архитектурный и практический интерес к окнам необходим для осмысления настоящего и будущего. Он нужен для предостережения людей от применения затратных технологий. Теоретические основы, модель и метод минимизации суммарных энергетических затрат (экономии первичных энергоресурсов) при строительстве и эксплуатации окон необходимо рассматривать с позиции всеобщего фундаментального закона кругооборота энергии в природе, в котором участвуют только четыре величины: энергия, вещество, пространство и время.
Основное назначение окон жилых зданий - обеспечение помещений зданий естественным светом. Особая роль отводится естественному освещению, потому что свет является ключевым биологическим фактором, от которого зависит здоровье и производительность труда человека. Естественный свет регулирует обмен веществ в организме человека, он влияет на его иммунное состояние. От освещенности помещения зависит также психоэмоциональное состояние человека. Без света у детей развивается рахит, а у взрослых авитаминоз. При длительном пребывании человека в помещении с недостаточным освещением он теряет зрение и у него появляются все перечисленные выше симптомы светового голодания, которые приводят к инвалидности и преждевременной смерти.
Одновременно с обеспечением помещений здания естественным светом с помощью окон в нем создается необходимый микроклимат. Он характеризуется состоянием внутренней среды помещения, которая должна удовлетворять физиологическим и психоэмоциональным потребностям человека и обеспечивать стандартные минимальные качества жизни. Жилище человека, в котором он проводит 70-80% своей жизни, должно быть экологически чи-
102015 ^^^^^^^^^^^^^
стым, защищать людей от вредных воздействий шума и химических веществ, возникающих в помещениях вследствие применения некачественных материалов. Пребывание людей в помещении должно вызывать положительные эмоции, соответствовать его духовным требованиям и санитарно-гигиеническим регламентам. Жилище должно отвечать не только требованиям гигиены и культурного быта, но и способствовать восстановлению творческих сил и здоровья населения. Исходные данные для проектирования необходимого микроклимата помещений изложены в различных нормативных документах, и в частности в ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», а также в [1]. Решить задачу минимизации энергетических затрат окна, выбирая из них наиболее энергоэффективное, можно только на принципах системного анализа, рассматривая проблему не изолированно и не по частям, а как единое целое и за длительный срок.
Микроклимат в помещениях жилых зданий создается с помощью ограждающих конструкций. Среди них окна играют главную роль, обеспечивая необходимый тепловой, воздушный и световой климат, а также защищают людей от шума. Но оконный блок нельзя рассматривать отдельно от стен. Поэтому проектирование наружного ограждения (стена+окно) необходимо вести исходя из условий обеспечения помещения светом и теплом при минимальных энергетических затратах за срок его жизни [2].
В 1980-х гг. для оценки расхода энергии при эксплуатации здания был предложен критерий энергетической эффективности наружного ограждения [2]. Критерий представляет собой отвлеченную безразмерную величину, которая связывает светотеплозащитные свойства двух разных конструкций окон с теплозащитными свойствами сте-
- 47
Градостроительство и архитектура
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Критерий энергетической эффективности окон при й®„=1 м2.оС/Вт
Заполнение светового проема (оконные блоки) То м2оС/Вт , м2 оС/Вт 7,ЭФ "-огр
Двойное остекление в деревянных спаренных переплетах ГОСТ 11214 Эталон 0,61 0,4 0,77 1
Одинарное остекление в деревянных переплетах ГОСТ 11214 0,68 0,17 0,55 1,4
Двойное остекление в деревянных раздельных переплетах ГОСТ 11214 0,54 0,44 0,78 0,99
Тройное остекление в деревянных раздельно-спаренных переплетах ГОСТ 16289 0,36 0,55 0,78 0,99
В одинарном переплете с однокамерным стеклопакетом с низкоэмиссионным покрытием ГОСТ 24700 0,54 0,64 0,88 0,87
В одинарном переплете с двухкамерным стеклопакетом ГОСТ 24700 0,58 0,53 0,84 0,92
В одинарном переплете с двухкамерным стеклопакетом с низкоэмиссионным покрытием ГОСТ 24700 0,44 0,8 0,93 0,83
Таблица 2
Изменение термического сопротивления воздушной прослойки и сопротивления теплопередаче Ло
в зависимости от температуры ¡2 и £2
Температура холодной поверхности 1г, "О £2=0,9 £2=0,1 £2=0,05
Д„.„, м2оС/Вт -»„, м2оС/Вт Д,„, м2 оС/Вт До, м2оС/Вт Л„„, м2 оС/Вт Я0, м2оС/Вт
0 0,15 0,32 0,37 0,55 0,41 0,59
-5 0,15 0,32 0,35 0,53 0,38 0,56
-10 0,15 0,32 0,33 0,51 0,36 0,54
-20 0,15 0,32 0,32 0,5 0,33 0,51
-30 0,15 0,32 0,29 0,47 0,31 0,49
ны. Критерий энергетической эффективности наружного ограждения показывает, насколько при одинаковом естественном освещении помещения и одинаковых площадях ограждений удельные теплопотери рассматриваемого ограждения или его приведенные сопротивления меньше или больше эталонного наружного ограждения, т. е.:
1-эф _ '
когр ~
ппр-э о.р
: Я"" ,
огр
(1)
Рок _ Т0
(2)
^ =
То '
(3)
Площадь ограждающей конструкции эталона или рассматриваемой конструкции равна:
^ = .РЭ +.Р3 =.Р + .Р
огр ст ок ст ок
(4)
где Чогр, Чогр - соответственно средние удельные теплопо-тери наружного ограждения и ограждения-эталона за год, Вт/м2; Л^,, - соответственно приведенное сопротивление теплопередаче ограждения и ограждения-эталона, м2-°С/Вт.
Эталонное наружное ограждение (окно-стена) является комплексной единицей измерения светотеплозащитных свойств для любых ограждающих конструкций, и, сравнивая с ним другие ограждения, состоящие из разных видов окон и стен, мы получаем безразмерные отвлеченные величины критерия к^р, из которых можно выбрать его наименьшее значение. Но для этого необходимо знать свето-теплозащитные свойства эталона.
Доказано, что при обеспечении в расчетной точке помещения нормируемого значения КЕО между площадями окон и их общими коэффициентами светопропускания существует однозначная зависимость [2]:
Расчеты по выявлению энергоэффективного оконного блока можно вести, используя уравнение:
= р -Рэ
ст ок ок-
Приведенное сопротивление теплопередаче ограждения рассчитывается по формуле:
^ +.Р
Я"" =
огР- р
Р
__1_ ст
ппр. ппр.
(5)
Из (2) находим равноценную площадь сравниваемого оконного блока:
В [3-5] был использован предложенный авторами метод расчета в части уточнения свето- и теплотехнических свойств окон.
В табл.1 представлены расчеты приведенного сопротивления теплопередаче различных наиболее характерных ограждений (стена-окно) и вычислены их критерии энергетической эффективности. Расчеты выполнены для стены, приведенное сопротивление теплопередаче которой равно единице. При других более высоких значениях Я^ результаты расчетов критерия энергетической эффективности по формуле (5) практически остаются неизменными.
Из анализа результата расчетов можно сделать следующие выводы:
- при однослойном остеклении критерий энергетической эффективности больше единицы, хотя окно имеет самые высокие светотехнические свойства. Это явление связано с низкими теплозащитными качествами;
Научно-технический и производственный журнал
Town planning and architecture
Таблица 3
Изменения средних значений аД,„, Л0 от ширины воздушной прослойки к и £пр при г^ЮХ, г2=-30°C
h, мм £„Р=0,89 £„Р=0,1
До К, До
6 0,128 0,3 0,23 0,4
8 0,133 0,3 0,24 0,41
10 0,137 0,31 0,26 0,43
12 0,14 0,31 0,27 0,44
16 0,146 0,32 0,29 0,47
20 0,148 0,32 0,3 0,47
50 0,155 0,33 0,32 0,49
- в конструкциях окон с двух- и трехслойным остеклением без применения стекол с низкоэмиссионным покры-тем критерий энергетической эффективности незначительно уменьшается на 1-8%;
- в окнах с двух- и трехслойными стеклопакетами критерий энергетической эффективности существенно снижается на 13-17%.
В настоящее время во всем мире конструкции окон с низкоэмиссионными стеклами широко рекламируются и применяются в строительстве.
Применение теплоотражающих покрытий увеличивает термическое сопротивление окон за счет уменьшения лучистой составляющей теплового потока (снижения степени черноты поверхности тела). При нанесении на силикатное стекло специальных пленочных покрытий часть падающей на них тепловой энергии отражается и возвращается в помещение. Теплоотражающие свойства светопрозрачных материалов получают путем нанесения на одну из поверхностей обычного бесцветного стекла тонких прозрачных покрытий (золота, серебра, меди, алюминия, никеля, оксидов металлов, керамических и полимерных покрытий). Отечественные исследования окон с теплоотражающими стеклами [6] показали, что в таких конструкциях сопротивление теплопередаче увеличивается на 20-50%.
В табл. 2 для стеклопакета с шириной воздушной прослойки h=16 мм приведены расчеты термического сопротивления воздушной прослойки и сопротивления теплопередаче при постоянной температуре на теплой поверхности воздушной прослойки Г1=10°С. На холодной она изменялась от 0 до минус 30оС [6].
Анализ расчетов показывает, что сопротивление теплопередаче стеклопакета при различных значениях t2 и применении строительных стекол без нанесения на них низкоэмиссионного покрытия постоянно и соответственно равно .«„„=0,15 м2-оС/Вт; Л0=0,32 м2-оС/Вт. При нанесении на одно из стекол теплозащитного (теплоотражающего) покрытия значения Яеж и R0 увеличиваются и зависят как от разности температуры (t1—12), так и от их абсолютных значений. Наибольшее значение сопротивления теплопередаче стеклопа-кета Ä0=0,55 м2оС/Вт достигается при е2=0,05.
В Германии для определения термического сопротивления конструкции разработана методика DIN 52619 часть 2(А). Суть методики состоит в определении температуры тв на внутренней поверхности ограждения и наруж-
Здание с окнами различной архитектурной формы
ной т„. Термическое сопротивление конструкции определяется при разности температуры т„—т„=10°С. Эта методика не соответствует режиму эксплуатации окон в реальных климатических условиях России. Ее можно применять только для климатических районов с положительными температурами, когда т„—т„<10°С. По этой методике определения уровня теплозащиты конструкций с воздушными прослойками результаты будут завышены.
Важными вопросами при проектировании наружных ограждений с теплозащитными покрытиями является выбор ширины воздушной прослойки и места расположения металлизированного, низкоэмиссионного покрытия в конструкции.
В табл. 3 показаны результаты теплотехнического расчета вертикального ограждения при изменении ширины воздушной прослойки от 4 до 50 мм и степени черноты е2 от 0 до 0,94. При этом температура на теплой стороне воздушной прослойки Г1=10°С, на холодной Г2= -30оС.
Анализ результатов расчета показывает, что при отсутствии в конструкции теплоотражающего покрытия сопротивление теплопередаче конструкции увеличивается с 0,3 до 0,33 м2-оС/Вт, т. е. на 14%. Градиент увеличения уровня теплозащиты в диапазоне изменения h=16-50 мм незначительный. Сопротивление теплопередаче Я0 в этом диапазоне изменения от 0,32 до 0,33 м2-оС/Вт (на 3%). Отсюда вытекает важный вывод, что в стеклопакетах оптимальной шириной является воздушная прослойка, равная h=16 мм, термическое сопротивление которой Лв.„=0,146 м2 оС/Вт. В этом случае сопротивление теплопередаче конструкции равно Л0=0,32 м2оС/Вт. Чтобы повысить уровень теплозащиты ограждения на 3%, требуется увеличить ширину воздушной прослойки в три раза, а это связано с дополнительными энергетическими затратами на изготовление конструкции. При изготовлении двухкамерных стеклопаке-тов целесообразно выбирать ширину воздушной прослойки h=12 мм. Такая величина соизмерима с эффектом сбережения тепла при эксплуатации здания и энергетическими затратами при изготовлении конструкции.
При естественном воздухообмене окно должно обеспечить подачу приточного воздуха.
На рисунке представлено здание с окнами различной архитектурной формы. Такая разнообразная форма окон отвечает психологическим и эстетическим запросам человека. Но в этой форме не просматривается научное творче-
102015
49
Градостроительство и архитектура
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
ство ни ученого, ни инженера, потому что при минимальных энергетических затратах за срок жизни окон в помещениях не обеспечиваются комфортные условия. Окна верхнего этажа проигрывают в освещении, так как из-за арочной части окна снижается освещенность в расчетной точке поме-
щения. Во всех окнах в закрытом состоянии при естественной вентиляции невозможно обеспечить нормы по вентиляции. В открытом или приоткрытом положении створок окон в рабочей зоне помещений скорости воздуха будут выше нормируемых значений.
Список литературы
References
1. Губернский Ю.Д., Лицкевич В.К. Жилище для человека. М.: Стройиздат, 1991. 227 с.
2. Савин В.К. Строительная физика: энергоэкономика. М.: Лазурь, 2011. 418 с.
3. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Расчетно-эксперименталь-ный метод определения общего коэффициента пропускания света оконными блоками // ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 472-476.
4. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Метод расчета светопропу-скания оконных блоков с использованием экспериментальных данных по светопропусканию стекол // Свето-прозрачные конструкции. 2010. № 5-6. С. 28-31.
5. Коркина Е. В. Комплексное сравнение оконных блоков по светотехническим и теплотехническим параметрам // Жилищное строительство. 2015. № 6. С. 61-62.
6. Борискина И.В., Плотников А.А., Захаров А.В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий. СПб.: Выбор, 2008. 360 с.
1. Gubernskij Ju.D., Lickevich V.K. The dwelling for the person. [Zhilishhe dlja cheloveka]. M.: Strojizdat, 1991. 227 p.
2. Savin V.K. Construction physics: power economy [Stroi-tel'naja fizika: energoekonomika]. M.: Lazur' 2005. 418 p.
3. Zemcov V.A., Gagarina E.V. Settlement and experimental method of determination of the general coefficient of a transmission of light window blocks. ACADEMIA. Arhitektura i stroitel'stvo. 2010. No. 3, pp. 472-476. (In Russian).
4. Zemcov V.A., Gagarina E.V. Metod rascheta svetopro-puskanija okonnyh blokov s ispol'zovaniem jeksperimen-tal'nyh dannyh po svetopropuskaniju stekol. Svetoprozrach-nye konstrukcii. 2010. No. 5-6, pp. 28-31. (In Russian).
5. Korkina E.V. Comprehensive Comparison of Window Blocks for Lighting and Thermotechnical Parameters. Zhilishnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2015. No. 6, pp. 61-62. (In Russian).
6. Boriskina I.V., Plotnikov A.A., Zaharov A.V. Proektirovanie sovremennyh okonnyh sistem grazhdanskih zdanij [Design of modem window systems of civil buildings]. Saint-Petersburg: Vybor. 360 p.
НОВОСТИ
Конференция «Современный автоклавный газобетон»
прошла в Санкт-Петербурге
В г. Санкт-Петербурге 9-11 сентября 2015 г. проходила международная научно-практическая конференция «Современный автоклавный газобетон», организованная Национальной Ассоциацией производителей автоклавного газобетона (НААГ). Актуальные проблемы, стоящие перед отраслью, обсудили более 250 участников из России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Германии, Польши, Латвии, Эстонии, Израиля и др. (в общей сложности - более 80 организаций, в т. ч. 50 заводов-производителей автоклавного газобетона (АГБ). Особое внимание уделялось таким вопросам как актуализация нормативной базы производства и применения АГБ, расширение объемов применения АГБ пониженной плотности, импортозамещение при производстве АГБ и др.
Решения НААГ по итогам конференции:
• продолжить работу по изучению теплофизических характеристик конструкций из АГБ;
• провести серию совместных исследований с Научно-исследовательским институтом строительной физики, обобщить опыт организаций, изучавших данный вопрос;
• выступить с инициативой внесения результатов исследования в действующую нормативную базу;
• совместно с предприятиями оценить актуальность масштабных коэффициентов, используемых при определении прочности АГБ по ГОСТ 10180;
• организовать и провести серию экспериментов по оценке масштабного коэффициента на образцах газобето-
на различных производителей (при получении результатов, отличных от используемых в настоящее время, внести предложения по изменению масштабных коэффициентов);
• подготовить предложения по замене методики определения морозостойкости АГБ, на основании имеющихся результатов исследований предложить определение морозостойкости по методике ГОСТ 25485-89 с корректировкой формулы оценки потери массы;
• предприятиям-производителям АГБ активизировать работу по продвижению конструкционно-теплоизоляционного АГБ с плотностью 400 кг/м3 и менее (консолидация усилий производителей АГБ позволит ускорить процесс массового использования данного материала при строительстве и увеличит объемы производства АГБ);
• совместно с Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций имени В.А. Курченко и производителями пенополиуретанового (ППУ) клея провести серию испытаний ячеистобетонной кладки на ППУ-клее и растворе для тонкошовной кладки, определить их прочностные характеристики (по результатам испытаний предложить изменения в СП «Каменные и армокаменные конструкции»);
• осуществить поиск предприятий, выпускающих продукцию взамен импортных оригинальных запчастей, используемых на технологических линиях по производству АГБ.
По материалам оргкомитета конференции
