CC BY
50
БЫТОВЫЕ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ КУЛЬТОВЫХ ЗДАНИЙ Белоус А.Н.1, Оверченко М.В.2, Белоус О.Е.3, Ткешелашвили М.Г.4 Email: [email protected]
1Белоус Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент;
2Оверченко Мира Викторовна - ассистент;
3Белоус Ольга Евгеньевна - ассистент;
4Ткешелашвили Марина Гивиевна - магистр, кафедра архитектуры промышленных и гражданских зданий, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, г. Макеевка, Украина
Аннотация: в данной статье произведен анализ современных методик расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий, характеризующихся краткосрочным присутствием большого количества людей в одном объеме здания. Произведен расчет бытовых теплопоступлений для Духовно-просветительского центра в г. Горловка, согласно трем рассматриваемым методикам. На основании расчетов произведен анализ методик расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий. Определены основные факторы, влияющие на результаты расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий. Выявлен численный показатель расходимости значений бытовых теплопоступлений, основанный на одной методике расчета, но с учетом различных региональных действующих поправок. Ключевые слова: теоретический расчет, бытовые теплопоступления, энергоэффективность зданий, культовые здания, анализ методик.
^NSUMER WARMTH OF THE RECEIPT OF RELIGIOUS BUILDINGS Belous A.N.1, Overchenko M.V.2, Belous O.E.3, Tkeshelashvili M.G.4
1Belous Alexey Nikolayevich - Master of Engineering sciences, Associate Professor;
2Overchenko Mira Victorovna - Assistant;
3Belous Olga Evgenievna - Assistant;
4Tkeshelashvili Marina Givievna - Master's Degree Student, DEPARTMENT ARCHITECTURE OF INDUSTRIAL AND CIVIL BUILDINGS TRANSLATION, DONBAS NATIONAL ACADEMY OF CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE,
MAKEEVKA, UKRAINE
Abstract: in this article the analysis of modern methods of calculation of household heat gain religious buildings. Which are characterized by short-term presence of a large number ofpeople in one building. The calculation of household heat gain for the Spiritual and educational center in the city of Gorlovka, according to the three considered methods. On the basis of the conducted analysis of methods of calculation of household heat gain religious buildings. The major factors influencing the results of the calculation of household heat gain religious buildings. Identified numerical indicator of the divergence of the values of household heat gain, based on the same method of calculation, but taking into account the various existing regional amendments. Keywords: theoretical calculation, household heat supply, energy efficiency of buildings, religious buildings, analysis of techniques.
УДК 699.865
Введение
Культовые сооружения - постройки, специально возведенные для богослужений и различных религиозных обрядов. Культовые сооружения возводятся по строгим, отличным друг от друга канонизированным принципам, которые отражаются в композиционных приемах планировки, внешнем убранстве и решении интерьеров. Основные типы культовых сооружений: святилища, христианские церкви, мусульманские мечети, буддистские храмы.
Объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные решения культовых сооружений, а также системы их инженерного оборудования, должны обеспечивать оптимальный уровень расхода энергоресурсов, создавая комфортные условия для пребывания больших масс посетителей культовых сооружений.
Особенностью христианских храмов является краткосрочность ежедневных служб, в отличие от мусульманских и иудейских, в которых зачастую расположены различного рода школы, что оказывает влияние на режим эксплуатации таких храмов. Поэтому для создания необходимой температуры внутреннего воздуха при эксплуатации культовых сооружений, избегая при этом температурного расслоения, а также для удаления вредных веществ и продуктов сгорания. Культовые здания характеризуются низкой энергоэффективностью, обусловленной большими объемами внутреннего пространства таких зданий, вследствие чего необходимо предусматривать дорогостоящие инженерные системы для кондиционирования воздуха, вентилирования и отопления помещений.
Вопросы повышения энергоэффективности наружных ограждающих конструкций зданий в странах СНГ приобрели актуальность еще в 70-е гг. ХХ века. В настоящее время, в условиях жесткой экономии энергоресурсов, проблема снижения теплопотерь через наружную оболочку жилых зданий является одной из первоочередных в строительной сфере, решению которой посвящено большое количество научных работ. Вопросы снижения потерь тепла через наружные ограждающие конструкции общественных зданий, в частности культовых, становятся не менее значимыми в первую очередь из-за размеров внутреннего пространства и не типичности объемно-планировочных решений.
Актуальной сегодня проблеме повышения энергоэффективности общественных зданий посвящена работа [1], целью которой является определение наиболее энергоэффективной ограждающей конструкции общественных зданий на основании сравнения двух видов конструкций: обычного многослойного фасада и навесного вентилируемого фасада с одинаковой толщиной теплоизоляционного слоя. На основе теплотехнического и влажностного расчетов были получены значения их сопротивлений теплопередаче и определены зоны конденсации.
Комплекс мер по повышению энергоэффективности общественного здания, реализованный на практике описан в [2]. В работе [3] рассмотрены вопросы улучшения параметров микроклимата общественных зданий.
В статье [4] рассмотрены вопросы повышения степени энергетической эффективности общественных зданий применением энергосберегающих ограждающих конструкций, среди которых выявлены наиболее энергоэффективные. Комплексная оценка энергоэффективности и тепловой защиты зданий рассмотрены в работе [5], результаты которой позволяют установить теплотехническое состояние исследуемого объекта. Исследование энергоэффективности общественных зданий с определением целесообразности применения комплекса энергосберегающих мероприятий на примере двух общественных зданий описано в [6], а также представлена экономическая эффективность всего комплекса решений по энергосбережению. Определение теплопроводности материалов математическим методом и выявление состояния конструкций общественных реконструируемых зданий после ввода объекта в эксплуатацию описаны в работах [23, 25].
Вопросы повышения энергоэффективности наружных ограждающих конструкций общественных зданий являются актуальными и для зарубежных ученых стран Европейского Союза, которые отражены в работах [7-10].
Однако вопросы влияния внутренних теплопоступлений на снижение теплопотерь через наружные ограждающие конструкции общественных зданий остается открытым. Современные нормативные документы Украины, РФ и стран Европы [11-13] регламентируют различные методики расчета теплопотерь общественных зданий с определением параметров, влияющих на величину теплопотерь, одним из которых является величина бытовых теплопоступлений.
Цель
Выполнить сравнительный анализ методов расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий для выбора оптимальной методики расчета бытовых теплопоступлений.
Задачи
1. Анализ основных методик расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий.
2. Выявить основные факторы, влияющие на результаты расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий.
3. Произвести сравнительный анализ предложенных методик расчета бытовых теплопоступлений.
Предмет исследования - физические явления и процессы, влияющие на показатели бытовых теплопоступлений.
Объект исследования - бытовые теплопоступления культовых зданий.
Основная часть
Здание Духовно-просветительского центра расположено в городе Горловка Донецкой области. Конструкция здания в плане сложной конфигурации, состоит из трех блоков. Блоки в осях 1-6 и 10-16 запроектированы 3-этажными, с подвальными эксплуатируемыми помещениями. Здание с неполным несущим каркасом - монолитные железобетонные колонны и перекрытия, и несущие стены из керамического кирпича толщиной 380 мм. Размеры в крайних осях 60,0 х 60,0 м. Размеры первого блока - 24,2 х 24м, второго блока -24 х 24,2м. Высота блоков здания - 15,5 м.
Технико-экономические показатели здания:
- площадь застройки здания - 2643,3 м2
- общая площадь здания -1944 м2
- полезная площадь здания - 2980 м2
- строительный объем надземной части здания - 8164,8 м3
Наружные стены здания Духовно-просветительского центра утеплены минераловатными плитами, 5=115 мм с Хб=0,042, Вт/(м-К); утепление цокольной части - экструдированный пенополистирол = 0,042Вт/(м К) толщиной 50 мм на высоту 1000 мм; утеплитель в конструкции покрытия - минераловатные плиты 5=200 мм с Хб=0,042, Вт/(м-К) на основе базальтовой ваты, утепление произведено согласно [15].
При расчете теплового баланса здания одной из значимых составляющих является величина бытовых теплопоступлений, которые составляют 12-15% от общего баланса здания. Произведем расчет бытовых теплопоступлений согласно трех предложенных методик определения бытовых теплопоступлений:
1) по методике ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 «Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будиншв при новому буд1вництв1 та реконструкци» [11];
2) по методике ГОСТ Р 55656-2013 «Энергетические характеристики зданий. Расчет использования энергии для отопления помещений» [12];
3) по методике ДСТУ Б А.2.2-12:2015 «Енергетична ефектившсть буд1вель. Нацюнальний метод розрахунку енергоспоживання при опаленш, охолодженш, вентиляци, освггленш та гарячому водопостачанш» [13].
Дальнейшее исследование проводим математико -статистическим методом на основании работ [38].
Расчет бытовых теплопоступлений по методике ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 «Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будиншв при новому будiвництвi та реконструкци».
Расчёт бытовых теплопотребностей на протяжении отопительного периода выполнен по формуле:
0вн.п=Х1 *qвн.п .*2оп*р1р, кВт * час, (1)
где qвн.п=90 Вт/чел - величина бытовых теплопотребностей на 1м2 расчётной площади общественного здания, учитывается по расчётному количеству людей, находящиеся в здании, освещению и офисной техники с учётом количества рабочих часов в неделю - 40 часов; общее количество часов в неделю - 168;
30
XI - 0,024 - размерный коэффициент; гоп - 176 сут, продолжительность отопительного периода р!р - 5771,28 м2, расчётная площадь здания. Теплопотери на протяжении недели:
• от людей, находящихся в здании О! = (90*400*40)/168=8.57 кВт
400 чел - количество посетителей храма за рабочие дни;
• от искусственного освещения
О2 = 20 * 5771,28 * 40/168 * 0.8 = 21,99 кВт
20 Вт/м2 - проектная установленная мощность освещения;
0,83 - коэффициент использования при установленной мощности 20
• от офисной техники, принимается 400 Вт(тренажёры), 1000 Вт(кухонная утварь), 300 Вт(компьютерная техника); расчётное количество тренажёров - 25, кухонных приборов - 5, компьюетрной техники - 30; коэффициент использования времени на протяжении недели 0,95, тогда:
= (25*400 + 5*1000 + 30*300) * 40/168 * 0.95 = 5.43 кВт. Ош.п. = №+0^3)^ = (8,57 + 21,99 + 5,43) *1000 / 5771,28 = 6,24 Вт/м2. 0вн.п = 0,024 * 6,24 * 176 * 5771,28 = 15,21 * 105 кВт * час.
Расчет бытовых теплопоступлений по методике ГОСТ Р 55656-2013 «Энергетические характеристики зданий. Расчет использования энергии для отопления помещений».
Расчёт бытовых теплопоступлений в здание за отопительный период, Ов.иг Мдж, вычислим по формуле:
0в.от = 0,0864 * qв * 7от * Ар = 0,0864 * 45,95 * 176 * 5771,28 = 4032590,02 МДж = 10,9 * 105 кВт * ч.
2от - 176 сут, продолжительность отопительного периода; Ар - 5771,28 м2 расчётная площадь здания.
- удельные бытовые тепловыделения в здании, Вт/м2, определим, исходя из формулы:
qв = ^чел * Пчел * Шраб * Рчел + Оосв * + qорг * Ар * Шорг * рорг) / (168 * Ар) = (90 * 400 * 40 * 0,8 + 20 * 5771,28 * 360 + 10 * 5771,28 * 40 *0,8) / (168 * 5771,28) = 45,95 Вт/м2, где Ар - расчётная площадь помещений зоны здания, м2; qчел = 90 - тепловыделения от одного человека, Вт/чел;
Пчел = 400- расчётное число работающих людей или максимальное число посетителей, чел;
Шраб = 40- число рабочих часов присутствия людей в помещении за неделю, ч;
рчел = 0,8- заполняемость помещений людьми;
Росв = q0cв * Ар = 20*5771,28 - проектная мощность освещения, Вт;
q0св = 20 - максимально допустимая удельная установленная мощность освещения, Вт/м2, в зависимости от функционального назначения помещения;
шосв = 360 - среднее за отопительный период число часов работы освещения в помещениях зоны, ч;
qорг =10 - средняя по расчётной площади зоны удельная установленная мощность (тепловой поток), Вт/м2, от оргтехники и других внутренних источников теплоты;
Шорг = 40 - число часов работы оргтехники или других внутренних источников теплоты за неделю, ч;
рорг = 0,8 - доля одновременно работающих источников теплоты; 168 - число часов в неделе.
2от = 176 сут - продолжительность отопительного периода, сут; Ар = 5771,28 м2 - расчётная площадь общественных зданий.
Расчёт бытовых теплопоступлений по методике ДСТУ Б А.2.2-12:2015 «Енергетична ефективнiсть будiвель. Нащональний метод розрахунку енергоспоживання при опаленш, охолодженнi, вентиляцп, освiтленнi та гарячому водопостачанш».
Теплопоступления от внутренних тепловых источников в зоне здания, которое рассматривается, Qlnt, Вт^ч, для всего отопительного периода считают по формуле:
/ Л
О* =
г,
(2)
V к
где Фтх,тп,к - усреднённый по времени тепловой поток от к-го внутреннего источника,
Вт/м2;
Фтх,Ос = 14 Вт/м2 - внутренний тепловой поток от людей; для кухонной зоны принят - 5 Вт/м2, учебной - 4 Вт/м2, духовно-просветительской - 5 Вт/м2;
А = 23 Вт/м - внутренний тепловой поток от оборудования; для кухонной зоны принят - 8 Вт/м2, учебной - 7 Вт/м2, духовно-просветительской - 8 Вт/м2;
ъ = 12 Вт/м2- внутренний тепловой поток от освещения; для кухонной зоны принят - 4 Вт/м2, учебной - 6 Вт/м2, духовно-просветительской - 2 Вт/м2
А = 5771,28, кондиционированная площадь зоны здания, м2, которая состоит из 16 м2 -
кухонная зона, 264 м2 - учебная зона, 5491,28 - остальная площадь здания.
t = 4224 ч (176 суток отопительного периода * 24 ч), продолжительность периода использования, выраженная в часах.
Теплопоступления от людей, освещения и оборудования были приняты, согласно таблице 9 [13], с учётом разделения здания на блоки, работающих в разных направлениях. / \
О* =
^ ФкА,тп,к ' А
V к У
г,=
(((5+4+8)*16) + ((4+7+6)*264) + ((5+8+2)*5491,28))*4224
= 3,7 * 105 кВт*ч.
В основах трех рассмотренных методик расчета заложены положения [14], адаптированные для регионов Украины и РФ с учетом климатических факторов и теплотехнических характеристик, предъявляемых к несущим ограждающим конструкциям. Однако на территории Украины существуют два нормативных документа, регламентирующие расчет бытовых теплопоступлений зданий, которые, как показывают вышеизложенные расчеты, дают величины бытовых теплопоступлений, отличающиеся друг от друга в 4 раза (рисунок 1). Отличие значений величин бытовых теплопоступлений, полученных по результатам расчета согласно методике РФ [12] от расчетов по методикам Украины [11] и [13] составляет в 1,4 раза и 2,9 раза соответственно. Все три методики расчета учитывают теплопоступления от людей, системы освещения, бытовой техники и оборудования, однако коэффициенты, учитывающие продолжительность теплопоступлений, и коэффициенты использования зданий, в рассмотренных методиках различны.
Величина бытовых теплопоступлений, -105, кВт-час
15,21
10,9
3,7
Методика ДСТУ-Н Методика ГОСТ Р Методика ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 55656-2013 Б А.2.2-12:2015
Рис. 1. Диаграмма значений величины бытовых теплопоступлений
Заключение
1. В результате анализа трех методик расчета бытовых теплопоступлений культовых зданий установлено, что в основу каждой из них заложена методика расчета согласно ISO 13790:2008 [14] с учетом региональных поправок.
2. Основными факторами, влияющими на величину бытовых теплопоступлений, являются количество людей, пребывающих в здании, мощность системы освещения и бытовой техники и оборудования, а также коэффициенты их использования.
3. На основании анализа результатов расчета бытовых теплопоступлений в здании Духовно-просветительского центра в г. Горловка установлены величины теплопоступлений, отличающиеся друг относительно друга в 1,4 - 4 раза. Теоретический анализ результатов расчета не дает возможности определить методику, согласно которой рассчитанные значения бытовых теплопоступлений будут близки к результатам натурных исследований. Данная проблема требует дополнительных исследований в натурных условиях для выявления погрешностей и корректировки методики расчета, которая в дальнейшем даст возможность получать достоверные данные в ходе теоретических исследований.
Список литературы /References
1. Кирюдчева А.Е., Шишкина В.В., Немова Д.В. Энергоэффективность общественных зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. № 5 (44), 2016. С. 19-30.
2. Жаданов В.И., Муратова А.Р., Сячина Е.П. Энергоэффективность общественных зданий // Оренбург. ООО ИПК «Университет», 2014.
3. Перехоженцев А.Г. Нормирование параметров микроклимата в жилых и общественных зданиях // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит., 2013. Вып. 30 (49). С. 139-143.
4. Вилинская А.О., Немова Д.В., Давыдова Е.И., Гнам П.А. Повышение класса энергоэффективности общественного здания // Строительство уникальных зданий и сооружений. № 9 (36), 2015.С. 7-17.
5. Корниенко С.В. Комплексная оценка энергоэффективности и тепловой защиты зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. № 11 (26), 2014. С. 33-48.
6. Самарин О.Д. Энергоэффективность общественных зданий // Энергосбережение, январь, 2011. С. 112-115.
7. EU Energy Efficiency Directive (2012/27/EU) Guidebook for Strong Implementation.
8. Ayman Khalid Elsadig. Energy Efficiency in Commercial Buildings: A dissertation presented in fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science Sustainable Engineering: Energy Systems & the Environment, June 2005.
9. Doiron M., OBrien W. and Athienitis А. Energy Performance, Comfort and Lessons Learned From a Near Net-Zero Energy Solar House, 2011. ASHRAE Transactions 117(2):1—13.
10. Karjalainen S. Thermal comfort and use of thermostats in Finnish homes and offices, 2009. Building and Environment 44(6): 1237-1245.
11. ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007. Проектування. Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будиншв при новому будiвництвi та реконструкций К. : М^егюнбудУкраши, 2008. 44 с.
12. ГОСТ Р 55656-2013. Энергетические характеристики зданий. Расчет использования энергии для отопления помещений. Москва: Стандартинформ, 2014. 28 с.
13. ДСТУ-Н Б А.2.2-12:2015. Енергетична ефектившсть будiвель. Метод розрахунку енергоспоживання при опаленш, охолодженш, вентиляцп, освгтленш та гарячому водопостачаннi. К.: МшрепонУкраши, 2015. 157 с.
14. ISO 13790:2008 Energy performance of buildings. Calculation of energy use for space heating and cooling.
15. ДСТУ Б В.2.6-189:2013. Методи вибору теплоiзоляцiйного матерiалу для утеплення будiвель. К.:МшрепонУкраши, 2013. 52 с.
16. Белоус А.Н., Оверченко М.В. Теплопотери здания через неотапливаемые подвальные помещения // Строительство уникальных зданий и сооружений. № 4 (43), 2016. 17 с.
17.Малявина Е.Г. Строительная теплофизика и проблемы утепления современных зданий // АВОК. № 1, 2009. С. 4-10.
18. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Научно-технический и производственный журнал «Строительные материалы», декабрь 2010.
19. Белоус А.Н., Оверченко М.В., Белоус О.Е. Утепление цокольного узла зданий с неотапливаемым подвалом // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2016. № 11 (50). С. 7-21.
20. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. М.: Министерство регюнального развития РФ, 2012. 82 с.
21. ДСТУ ISO 6946:2007. Будiвельнi конструкци та елементи. Тепловий отр i коефщент теплопередавання. Методика розраховування (ISO 6946:1996, IDT). К.: ДержспоживстандартУкраши, 2007. 23 с.
22. Выхольский Н.А. Архитектурно-планировочная модернизация спортивных объектов на основе информационного подхода. // Дис. канд. арх. Нижний Новгород, 2012.
23.Джумаев Д.С., Ходжамуродов С.К., Тагойбеков Ш.С. Определение теплопроводности композиционного материала математико-статистическим методом планирования эксперимента // Наука, техника, образование, 2015. № 12 (18). С. 59-67.
24. Табунщиков Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. 194 с.
25. Смирнов В.В., Свитцов М.А., Шилеева А.Ю., Шихова Е.Н., Поникарова Ю.Е. Оценка технического состояния строительных конструкций здания производственного корпуса перед вводом его в эксплуатацию после консервации // Наука, техника и образование, 2015. № 10 (16). С. 111-113.
26. Ehringer H., Hoyaux G., Zegers P. Energy Conservation in Buildings Heating, Ventilation and Insulation // Springer, 1983. 512 p.
27. Reichla Johannes, Kollmann Andrea. The baseline in bottom-up energy efficiency and saving calculations - A concept for its formalisation and a discussion of relevant options // Applied Energy. Vol. 88. Issue 2, 2011. P. 422-431.
28. Richard R. Vaillencourt. Simple Solutions to Energy Calculations, Fourth Edition. Fairmont Press, 2007. 225 p.
29. Taylor T., Counsell J., Gill S., 2013. Energy efficiency is more than skin deep: Improving construction quality control in new-build housing using thermography. Energy and Buildings, 2013. Vol. 66. Р. 222-231.
30. Wei Li, Jinzhong Zhu, Zhimin Zhu. The Energy-saving Benefit Evaluation Methods of the Grid Construction Project Based on Life Cycle Cost Theory // Energy Procedia.Volume 17. Part A., 2012. P. 227-232.
31. Tenpieric M., Van der Spoel W., Cauberg H. An analytical model for calculating thermal bridge effects in high performance building enclosure // Journal of Building Physics, 2008. Vol. 31. P. 361-387.
32. Горшков А.С., Немова Д.В., Ватин Н.И. Формула энергоэффективности // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2013. № 7 (12). С. 49-63.
33. Горшков А.С., Гладких А.А. Мероприятия по повышению энергоэффективности в строительстве // Academia. Архитектура и строительство, 2010. № 3. С. 246-250.
34. Бутовский И.Н. Особенности теплотехнического расчета теплозащиты и энергопотребления современных жилых и общественных зданий при оценке их энергоэффективности // Academia. Архитектура и строительство, 2009. № 5.
35. Береговой А.М. Здания с энергосберегающими конструкциями // Дис. д. техн. наук. Пенза, 2005.
36. Ватин Н.И., Горшков А.С., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте. // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2013. № 3 (8).
37. Гагарин В.Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика, 2009. № 1-3.
38. Большакова Л.В., Яковлева Н.А. Применение статических гипотез в научно-практических исследованиях // Наука, техника и образование, 2017. Т. 1. № 5 (35). С. 6-11.
