CC BY
57Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Крупнопанельное домостроение: расчет конструкций
УДК 69.056.52
В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, Т.А. АХМЯРОВ, инженер, ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)» (Москва)
Энергоэффективность крупнопанельных зданий
Анализируются энергоэффективные типы наружных ограждений зданий с учетом нормативных требований по повышению тепловой эффективности зданий в крупнопанельном домостроении. Для снижения уровня энергопотребления зданий и повышения энергоэффективности предлагаются системы вентиляции с регулируемым воздухообменом на базе энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций зданий, теплообменников и других устройств, использующих, вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Ключевые слова: энергосбережение, теплозащита, теплоотражение, рекуперация тепла, энергоэффективность, воздухообмен.
Расход энергии жилищно-коммунальным хозяйством страны в год составляет 146 млн т усл. топлива, а с учетом сферы услуг и строительства - 223 млн т усл. топлива. При этом расходы тепла на отопление жилых домов с каждым годом увеличиваются все больше за счет вводимых в эксплуатацию зданий, а невосстанавливаемые запасы природного топлива истощаются.
Требования по энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений, устанавливаемые Министерством регионального развития Российской Федерации, включают:
1. Нормируемые показатели, характеризующие удельную величину расхода энергетических ресурсов в здании, строении, сооружении, в том числе: показатели, отражающие удельный расход тепловой энергии, используемой на отопление и вентиляцию здания, строения, сооружения за отопительный период (на 1 м2 площади или на 1 м3 объема); показатели, отражающие удельный расход тепловой энергии на горячее водоснабжение; показатели, отражающие удельный расход электрической энергии на электроснабжение здания, строения, сооружения (в многоквартирных домах, включая общедомовые нужды - освещение помещений общего пользования, обеспечение работы лифтов и пр.); показатели, отражающие удельный расход газа, воды, затрачиваемых на газоснабжение и водоснабжение здания, строения, сооружения;
2. Требования к влияющим на энергетическую эффективность зданий, строений, сооружений архитектурным, функционально-технологическим, конструктивным и инженерно-техническим решениям;
3. Требования к отдельным элементам и конструкциям зданий, строений, сооружений и их свойствам; к используемым в зданиях, строениях, сооружениях устройствам и технологиям, а также требования к применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте зданий, строений, сооружений технологиям и материалам, обеспечивающие экологическую безопасность и позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте, так и при эксплуатации.
С 1995 г. произошел переход от санитарно-гигиенических критериев тепловой защиты зданий к экономическим, направленным на снижение расходов энергоресурсов на отопление зданий. Это потребовало радикальной переоценки материалов, применяемых в наружных ограждениях, и существенного изменения конструктивных решений наружных стен для нового строительства и реконструкции зданий.
Новым теплотехническим требованиям соответствуют трехслойные панели с гибкими связями или с железобетонными шпонками.
Трехслойные панели наружных стен с железобетонными шпонками уступают по теплоэффективности на 9-11% панелям с гибкими связями, которые получили широкое распространение за рубежом.
В наружных стенах крупнопанельных зданий важное значение в обеспечении теплозащиты имеют стыковые соединения. От правильного исполнения стыковых соединений в значительной степени зависят эксплуатационные качества стен. Теплопотери через стыки панельных зданий достигают 20% теплопотерь через глухую часть стены. Теплозащита стыка характеризуется температурой его внутренней поверхности и количеством наружного воздуха, проникающего через него в помещение. В зимних условиях неудовлетворительные воздухо- и водозащита снижают теплозащитные качества стен.
На теплозащитные качества стыков оказывает влияние их воздухопроницаемость, поэтому целесообразны специальные меры, предотвращающие ее, для всех типов стыков. Допустимый сквозной расход воздуха ограничивается величиной 0,5 кг/(мч). Для борьбы с излишней воздухопроницаемостью применяется герметизирующие ленты.
Для оценки пригодности конструкции стыка проводится расчет его температурных полей. Аналитические расчеты теплопередачи через стыки, как правило, не учитывают фильтрацию наружного воздуха, а если и учитывают, то только величину общей воздухопроницаемости стыков, которая условно принимается одномерной. Входящие в общую воздухопроницаемость величины сквозной и продоль-
Крупнопанельное домостроение: расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
ной (поперечной) воздухопроницаемости в различной степени влияют на теплопередачу. Сквозная или поперечная воздухопроницаемость характеризует фильтрацию воздуха поперек конструкции, а продольная - вдоль нее. Поэтому помимо аналитических расчетов при применении новых решений конструкций стыковых соединений необходимо проводить их экспериментальную проверку.
Применение теплоэффективных наружных ограждений за счет экономии тепловых ресурсов окупает единовременные затраты во вновь строящихся жилых и гражданских зданиях в течение 7-8 лет, а в существующих домах -в течение 12-14 лет.
В таблице приведены основные показатели тепловой эффективности жилых зданий на примере многоэтажного жилого дома на базе блок-секций системы ГМС-2001 в Москве, СВАО, Марфино, мкр. 52, корп. 2 (09-2249-КПР. ЭЭ).
Как следует из анализа таблицы, увеличение приведенного сопротивления теплопередаче окон и балконных дверей ИГР с 0,54 до 0,8 м2 оС/Вт уменьшает удельный расход тепла на отопление на 15,5%. Увеличение приведенного сопротивления теплопередаче стен Ягш с 3,13 до 3,5 кВт ч/м2 уменьшает расход тепла на 1,5%, а Ягш с 2,64 до 3,5 кВт-ч/м2 - на 4,5%. Применение базальтовых или стеклопластико-вых связей вместо металлических повысит теплозащиту наружных стен на 10%.
Трехслойные стены толщиной 350-450 мм с утеплителем толщиной 150-200 мм из пенополистирола и минеральной ваты на гибких связях могут применяться в регионах, где показатель ГСОП достигает 6000-7000оСсут.
В настоящее время имеются многочисленные примеры изготовления трехслойных ограждающих конструкций, отвечающих требованиям СНиП 23-02-2003. Так, например, московские ДСК и предприятия промышленности строительных материалов на основе энергосберегающих проектных решений успешно освоили производство жилых домов серии П44Т, ПЗМ, КОПЭ, П46М, Пд4 общей площадью более 2,2 млн м2 в год с приведенным сопротивлением теплопередаче стеновых панелей 3,16-3,28 м2оС/Вт, что выше требований СНиП 23-0-2003 (3,13 м2оС/Вт). Аналогичные трехслойные панели применяют при возведении зданий домостроительные комбинаты в Московской и Челябинской областях, Республике Татарстан, Бурятии, Карелии, Хабаровском крае, Свердловской, Ленинградской, Архангельской, Орловской, Псковской, Новгородской, Томской и Самарской областях.
Повышение тепловой защиты и энергоэффективности наружных стен должно быть неразрывно связано с повышением качества теплового и воздушного режима зда-
ния, действующего при эксплуатации как единая энергетическая система; при этом доля вентиляционных теплопо-терь может быть больше, чем потерь тепла через наружные стены.
Существующие системы естественной вентиляции в жилых зданиях недостаточно обеспечивают требуемый микроклимат помещений. Поэтому в институте разрабатываются способы повышения энергоэффективности систем вентиляции.
Экономии тепла при улучшении воздушного режима помещений отвечает способ вентиляции через вентилируемые окна и наружные стены с регулируемым воздухообменом. Эффект такой вентиляции заключается в том, что наружный холодный воздух, проходя через наружное ограждение, нагревается и входит в помещение, возвращая часть теряемого тепла. Указанные способы вентиляции помещений разрабатываются применительно как к окнам, так и к наружным стенам.
В ЦНИИЭП жилых и общественных зданий ведутся исследования по поэтапной разработке комплексного решения: децентрализованной приточно-вытяжной системы вентиляции с системой активного энергосбережения на базе энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций зданий, теплообменников, теплохладоаккумуля-торов и других устройств, использующих вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
На первом этапе решается задача одновременного уменьшения теплопотерь через наружные ограждающие конструкции и повышения уровня комфортности помещений с кратностью воздухообмена не ниже нормируемого. Поскольку заполнения световых проемов (светопрозрач-ные конструкции) являются наиболее слабым с точки зрения теплозащиты конструктивным элементом наружных ограждений зданий, уменьшение теплопотерь через них является первостепенной задачей.
Известен эффект Коанда для затопленных потоков, которые движутся вблизи плоской поверхности и захватывают частицы среды с собой. Между движущимся потоком и плоской поверхностью образуется зона разряжения, которая заставляет поток прилипать к плоской поверхности. В случае плоского турбулентного потока в установившемся режиме эффективность теплообмена между потоком и плоскостью повышается многократно. На внутренней поверхности наружного остекления (или облицовочной панели) происходит срыв конвективного потока плоским потоком поступающего холодного воздуха с активным теплосъемом со всех поверхностей, слоев, гибких связей и теплоотража-
Наименование проекта Показатели энергоэффективности Требуемая толщина утепления, м, при Х=0,03 Вт/(моС)
По данным лаборатории теплового и воздушного режима зданий По программе «Энергосберегающее домостроение» По СНиП 23.02-2003
qh Я Я qh Я Я qh Я Я
12-15-17-18-этажный 7-секционный жилой дом на базе блок-секций системы ГМС-2001 с нежилым первым этажом в Москве, СВАО, р-н Марфино, мкр. 52, корп. 2 (68И) 09-2249-КПР.ЭЭ 98 2,64 0,58 75-80 3,5 0,8 95 3,13 0,54 0,16
93,5 3,5 0,54 75-80 3,5 0,8 95 3,13 0,54
80 3,4 0,8 75-80 3,5 0,8 95 3,13 0,54
79 3,5 0,8 75-80 3,5 0,8 95 3,13 0,54
88 2,64 0,8 75-80 3,5 0,8 95 3,13 0,54
Примечание. qtí - удельный расход тепла на отопление кВт ч/м2, Я'„ - приведенное сопротивление теплопередаче стен, Я- приведенное сопротивление теплопередаче окон и балконных блоков, м2оС/Вт.
48
42012
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Крупнопанельное домостроение: расчет конструкций
ющих экранов, которые передавали тепло в атмосферу. Известно что чем эффективнее теплоотражающий экран, тем он сильнее греется под действием теплового излучения. Поэтому когда экран находится в более холодной зоне и постоянно охлаждается с рекуперацией тепла в помещение, эффект многократен.
Известно, что существуют три основные составляющие теплопотерь через наружные ограждения. Примерно одна треть энергии приходится на трансмиссионные теп-лопотери (конвекцию и теплопередачу) и примерно две трети энергии приходятся на тепловое излучение, т. е. радиационную составляющую. Все составляющие теплопо-терь находятся во взаимосогласованной связи. При активном действии на механизм одной самой мощной радиационной составляющей путем установки теплоотражающего экрана сразу изменяются действия механизмов и условий в других, так как реальный теплоотражающий экран, отражая тепловое излучение внутрь помещения, нагревается сам и изменяет температурное поле вблизи себя. В этих условиях совместное действие теплоотражающего экрана в воздушном промежутке и вентилирования через этот промежуток с рекуперацией тепла внутрь помещения многократно повышает тепловой эффект.
Экономия топливно-энергетических ресурсов за счет рекуперации трансмиссионного теплового потока при применении в воздушных прослойках вентилируемых стен без теплоотражающих экранов может составить до 30% на 1м2 ограждающих конструкций, а с теплоотражающими экранами - до 80-90% на 1 м2 вентилируемых стен.
При этом применение вентилируемых наружных ограждающих конструкций может повысить их условные сопротивления теплопередаче по выходящему тепловому потоку в 2-3 раза и более (для окон).
При дальнейшем совершенствовании системы на втором этапе, с утилизацией тепла вентиляционных выбросов и использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии, могут быть достигнуты повышенный тепловой и экономический эффекты. Для выполнения этого этапа проводится выбор теплообменников-рекуператоров, которые по параметрам должны соответствовать необходимым требованиям и обеспечить функционирование системы приточно-вытяжной вентиляции в согласованных режимах.
Например, в современных воздухо-воздушных рекуператорах мембранного типа эффективность возврата тепла достигает 96%. Кассеты состоят не из металлических пластин. Материалом, разделяющим потоки воздуха, является специальная гигроскопичная целлюлоза, за счет которой возвращается не только тепло, но и влага, находящаяся в воздухе помещения. Мембраны пропускают молекулы воды, но не пропускают молекул газа. Возврат влаги устраняет проблему конденсата в установке, вследствие чего установка имеет высокий показатель морозоустойчивости - до -30оС.
Следует отметить, что рассмотренные системы рекуперации тепла и вентиляции можно отнести к развитию одной общей системы активного энергосбережения, которая имеет единую базовую основу: на начальном этапе осуществляется рекуперация теплового потока через наружные ограждающие конструкции (стены, крыши и светопрозрачные конструкции). Затем система активного энергосбережения последовательно, согласованно, по этапам становится более эффективной.
При выполнении комплекса исследований решаются следующие проблемы:
- сокращение сроков внедрения в строительство, так как используются уже испытанные и сертифицированные конструкции, которые производятся современным индустриальным способом; добавляются регулирующие вентиляционные устройства, не требующие сертификации;
- повышение теплозащиты и комфортности микроклимата за счет теплоотражения и условий организации потока наружного воздуха;
- повышение теплотехнической однородности, поскольку плоская воздушная завеса в установившемся турбулентном режиме перерезает утечку тепла с рекуперацией этого тепла в помещение;
- применение новых материалов, потому что в вентилируемом промежутке с активным теплосъемом можно применять материалы с большей теплопроводностью;
- не будет проблемы с образованием сосулек, что актуально для города, так как при выполнении крыш по предлагаемому решению температура внешней части кровли будет постоянно близкой к температуре наружного воздуха.
Разработка комплексных решений с системой активного энергосбережения для проектов энергопассивных зданий, выполненных в системе крупнопанельного домостроения, может решить проблему доступного социального комфортного массового жилья.
г. Магнитогорск, ДС им. Ромазана, пр. Ленина, 97 тел.: (351) 215-88-77, 231-37-41 WWW.pvo74.ru
