CC BY
64Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
L, дБ
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
t, с
Рис. 3. Изменение во времени уровней прямой (1), отраженной (2) и суммарной (3) звуковой энергии в первой расчетной точке помещения
но. Максимальный уровень отраженного звука по точкам отличается на 12,7 дБ, а минимальный уровень шума - всего на 3 дБ. Видно, что первоначальная неравномерность звукового поля после отключения источника шума с течением времени выравнивается.
Показателями неравномерности затухания звуковой энергии служит разность между максимальным и минимальным уровнями шума Д^ в промежутке времени Д? между импульсами, а также средняя скорость затухания звуковой энергии, которая рассчитывается по формуле:
т = 4т' дБ/с. (11)
Результаты расчета параметров нестационарного звукового поля в расчетных точках помещения
Характеристики Номер расчетной точки
1 2 3 4 5 6
Максимальный уровень шума, дБ 86 83,8 81,4 77,8 74,7 73,3
Минимальный уровень шума, дБ 66,6 66,6 66,3 65,5 64,4 63,6
Разница максимального и минимального уровней, дБ 19,4 17,2 15,1 12,3 10,3 9,7
Скорость затухания звуковой энергии, дБ/с 32,3 28,7 25,2 20,5 17,2 16,2
При этом установлено, что скорость затухания звуковой энергии непостоянна по объему помещения. Эти результаты подтверждаются данными экспериментальных исследований в несоразмерных помещениях. При увеличении расстояния между источником и точкой приема сигнала при экспериментах также наблюдается снижение скорости затухания звуковой энергии.
Разработанный метод расчета и результаты выполненных на его основе исследований звука в помещениях с непостоянными источниками шума показывают, что получен надежный инструмент для исследования нестационарных звуковых полей, позволяющий объективно решать задачи по определению энергетических характеристик звуковых полей и проектировать мероприятия по шу-мозащите в гражданских зданиях при непостоянных источниках шума.
УДК 697.133
A.A. ВЕРХОВСКИЙ, канд. техн. наук, зав. лабораторией «Ограждающие конструкции высотных и уникальных зданий»; И.И. НАНАСОВ, инженер, Е.В. ЕЛИЗАРОВА, инженер, НИИСФ РААСН(Москва); Д.И. ГАЛЬЦЕВ, инженер, ООО «Алютерра СК»; В.В. ЩЕРЕДИН, нач. технического отдела
«Гардиан Стекло Рязань» (Рязань)
Энергоэффективность светопрозрачных ограждающих конструкций
В статье проведен анализ оценки энергоэффективности светопрозрачных ограждающих конструкций современных высотных и уникальных зданий и предложен новый подход к оценке энергоэффективности. В ходе проведения работ был проанализирован большой объем экспериментальных и теоретических исследований, работы по техническому сопровождению возводимых и проектируемых, высотных зданий в Центральном и Северо-Западном регионах. России.
Ключевые слова: светопрозрачные ограждающие конструкции; энергоэффективность, теплопотери, трансмиссионная составляющая, инфильтрационная составляющая.
На рубеже ХХ-ХХ1 вв. появилось новое веяние в мировой архитектуре - использование стекла как строительного материала в больших масштабах. Это позволило изменить облик российских городов. В данной статье приведена
оценка энергоэффективности ограждающих конструкций для современных, высотных и уникальных зданий.
Энергетическая эффективность высотных и уникальных зданий зависит от многих факторов. Архитектурная форма,
Научно-технический и производственный журнал
Л
Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
тепловая защита зданий и тепловой комфорт внутри помещений являются одними из важнейших факторов, влияющих на их энергетическую эффективность. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» устанавливает критерии энергетической эффективности и нормативы, основанные на энергетическом принципе нормирования здания в целом.
На данный момент существует три основных подхода к определению параметров теплозащиты ограждающих конструкций:
- назначение требуемых минимальных значений согласно табл. 4 СНиП 23-02-2003;
- определение их и корректировка согласно расчетам энергетического паспорта;
- подход, основанный на ограничении минимальных температур на внутренних поверхностях конструкций.
В нормативных документах содержатся ограничения на площадь остекления светопрозрачных конструкций.
При выборе нормирования по удельному расходу тепловой энергии на отопление расчетный удельный расход энергии О%ев, МДж/м2 [МДж/м3], должен быть меньше или равен нормируемому значению О^ед, МДж/м2 [МДж/м3] с учетом его снижения в зависимости от класса здания А или В. Методика расчета удельного расхода тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период установлена в обязательном приложении к СНиП 23-02-2003.
Как показал анализ более десятка энергетических паспортов высотных зданий, выполненных различными организациями, потери за счет инфильтрации составляют 36-65% от общих теплопотерь здания.
Конструктивные решения, а также теплотехнические характеристики и воздухопроницаемость светопрозрачных ограждающих конструкций непосредственно влияют именно на эти составляющие теплового баланса современного здания.
Общие теплопотери здания Оь, МДж, согласно СНиП 2301-99* «Строительная климатология» за отопительный период определяются по формуле:
Оь = 0,0864 К
Ь ' т
о„
двит е '
(1)
где Л3еит - общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, м2; йс1 - градусо-сутки отопительного периода, йа, градусо-сутки, определяемые по формуле: 0=(1М - Кт - общий коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м2-°С), определяемый по формуле:
К =К" + К'"', где К" - приведенный трансмиссионный кот т т т
эффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/(м2-оС); К" - приведенный инфиль-трационный коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/(м2оС).
Трансмиссионные теплопотери - компонента общего энергетического баланса здания, непосредственно опреде-
ляемая теплотехническими характеристиками ограждающих конструкций здания и климатическими условиями.
Существующий в настоящее время алгоритм не учитывает изменения реальных значений теплотехнических и климатологических характеристик ни по высоте здания, ни в течение отопительного периода.
Как видно из табл. 1, среднемесячная температура для климатических условий Москвы значительно отличается как от температуры наиболее холодной пятидневки, так и от средней температуры отопительного периода для города. Использование средневзвешенного параметра - градусо-суток отопительного периода в данном случае не дает объективного значения трансмиссионных теплопотерь через ограждающие конструкции высотного здания.
В ходе лабораторных исследований фасадных конструкций ведущих производителей специалистами НИИСФ была собрана статистика изменения теплотехнических характеристик светопрозрачных ограждающих конструкций от температуры наружного воздуха.
Как показали результаты многочисленных лабораторных испытаний, сопротивление теплопередаче полноразмерного элемента фасадной конструкции при температуре наружного воздуха, соответствующего температуре наиболее холодной пятидневки для Москвы = -28оС, и при температуре наружного воздуха 1ех1 = -10оС, соответствующей средней температуре января-февраля, отличаются на 12-18%. Таким образом, при использовании существующей методики определения трансмиссионных теплопо-терь за отопительный период в одной формуле используются для определения градусо-суток отопительного периода и средняя температура отопительного периода, составляющая для условий Москвы -3,4оС, и приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной ограждающей конструкции, определяемое для условий наиболее холодной пятидневки.
Для исправления этой систематической ошибки необходимо при оценке трансмиссионных потерь производить расчет пиковых значений теплопотерь для всего здания с учетом малой инерционности светопрозрачных ограждаемых конструкций.
На рис. 1-3 приведен график зависимости приведенного сопротивления теплопередаче для трех наиболее распространенных в настоящее время типов светопрозрачных фасадных конструкций. Графики являются обобщением результатов многолетних натурных и лабораторных испытаний НИИСФ РААСН. Для расчета использовалась усредненная профильная система Я^6"13 = 0,5 м2-оС/Вт.
В табл. 2 приведены результаты расчета помесячных трансмиссионных теплопотерь через 1 м2 светопрозрачных фасадных конструкций трех типов за отопительный период.
На рис. 4-6 приведены расчеты теплопотерь для тех же типов фасадных конструкций здания с площадью све-
Таблица 1
Высота здания, м Месяцы Год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
От 76 до 150 -10,3 -9,4 -4,8 3,9 11,2 15,8 17,8 16 9,5 3,2 -3,3 -7,7 3,5
Свыше 150 -10,2 -9,3 -5,5 3,2 10,5 15,2 17,2 15,4 8,7 2,4 -4,1 -7,6 3
Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
1
0,95 0,9 0,85
О
& 0,8 ?
О? 0,75
0,7 0,65 0,6 0,55
-40 -30 -20 -10 0 10
Наружная температура воздуха, ^, оС
Рис. 1. Зависимость приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с однокамерным стек-лопакетом СПО 6З-16Аг-И6СМ3 (#3, £=0,024) от температуры наружного воздуха: 1 — сопротивление теплопередаче центральной части стеклопакета; 2 — приведенное сопротивление теплопередаче конструкции
0,9
0,85
-40 -30 -20 -10 0 10
Наружная температура воздуха, ^, оС
Рис. 2. Зависимость приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стек-лопакетом СПД 8З-16Аг-6М1-14Аг-И6 (#5, г=0,05) от температуры наружного воздуха: 1 — сопротивление теплопередаче центральной части стеклопакета; 2 — приведенное сопротивление теплопередаче конструкции
^ 0,95 -
Наружная температура воздуха, ^, оС
Рис. 3. Зависимость приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопакетом СПД 8ЗИ-16Аг-6М1-14Аг-И6 (#2, £=0,02; #5, £ =0,037) от температуры наружного воздуха при Хв=+20оС: 1 — сопротивление теплопередаче Я0 центральной части стеклопакета; 2 — приведенное сопротивление теплопередаче конструкции
топрозрачной части фасадной конструкции 32 тыс. м2 для климатических условий Москвы.
На графиках светло-серым цветом в виде прямоугольника выделены результаты расчета трансмиссионных теп-лопотерь через ограждающие конструкции проектируемого здания согласно предлагаемой методике и методике, регламентируемой СНиП 23-02-2003, усредненные на все месяцы отопительного периода.
Если сравнить суммарные теплопотери за отопительный период для всех типов фасадных конструкций, то они будут соответственно на 16,5-22% ниже, чем определяемые согласно методике СНиП 23-02-2003 для фасадов с одно- и двухкамерными стеклопакетами.
Наиболее энергоэффективной в настоящее время является светопрозрачная фасадная конструкция с двухкамерным стеклопакетом СПД 8ЗИ-16Аг-6М1-14Аг-И6 с двумя низкоэмиссионными покрытиями (#2 £=0,02, #5 £=0,037). В качестве наружного низкоэмиссионного покрытия широко используется так называемое многофункциональное покрытие, снижающее теплопоступления за счет солнечной энергии в летнее время.
Таблица 2
Месяц 'ср, оС СПО 6З-16АГ-И6СМ3 СПД 8З-16Аг-6М1-14Аг-И6 СПД 8ЗИ-16Аг-6М1-14Аг-И6
Он) О, Вт/ч Япр('н) О, Вт/ч Япр(0 О, Вт/ч
10 2,4 0,85 11429,65 0,99 9813,33 1,37 7091,39
11 -4,1 0,78 22246,15 0,98 17706,12 1,36 12758,82
12 -7,6 0,76 27018,95 0,97 21169,48 1,36 15098,82
1 -10,2 0,74 30363,24 0,97 23163,71 1,35 16643,56
2 -9,3 0,75 26252,8 0,97 20298,56 1,35 14584,89
3 -5,5 0,78 24323,08 0,98 19359,18 1,36 13950
4 3,2 0,86 10783,26 0,98 9462,86 1,37 6769,05
10 2,4 0,85 152417,1 0,99 120973,2 1,37 86896,53
Суммарные теплопотери, Вт/м2 11429,65 9813,33 7091,39
Научно-технический и производственный журнал
Л
Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
1200000
1000000
800000
2 600000
400000
200000
0
10
4
ктп = 0,28 спа р^ V■„ р« к I Л,
^ вит е '
(2)
800000
700000
600000
1-й со 500000
р е т 400000
о п
о л п Ф 300000
200000
100000
11 12 1 2 3
Месяц относительного периода
Рис. 4. Ежемесячные трансмиссионные теплопотери для свето-прозрачной фасадной конструкции с однокамерным стеклопаке-том СПО 6З-16Аг-И6СМ3
Для каждого случая запроектированной светопрозрач-ной конструкции необходимо проводить отдельный анализ с учетом всех составляющих теплообмена. Согласно имеющимся в архиве энергетическим паспортам проектируемые теплопотери через фасадные конструкции составляют 39-55% от общих энергозатрат здания (в зависимости от редакции энергетического паспорта). Таким образом, чем более точный инструмент будет применен на стадии проектирования для оценки теплопотерь через свето-прозрачные фасадные конструкции, тем больший диапазон архитектурных решений будет в распоряжении проектировщика.
Условный коэффициент теплопередачи здания, учитывающий теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции, Вт/(м2 оС), определяется в СНиП 23-02-2003 по формуле:
0
10
4
11 12 1 2 3
Месяц относительного периода
Рис. 5. Ежемесячные трансмиссионные теплопотери для свето-прозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопаке-том СПД 8З-16Аг-6М1-14Аг-И6 с одним низкоэмиссионным покрытием
600000
500000
400000
300000
200000
10000
0
10
4
где с - удельная теплоемкость воздуха; р^ - коэффициент снижения объема воздуха в здании, учитывающий наличие внутренних ограждающих конструкций; V« - отапливаемый объем здания, м3; р« - средняя плотность приточного воздуха за отопительный период, кг/м3, равная р«'= =353/[273+0,5(?|П1 + ?ех)]; па - средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, ч-1; ?пя и ?ех1 - расчетная средняя температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, оС; К - коэффициент учета влияния встречного теплового потока.
То есть условный коэффициент теплопередачи здания за счет инфильтрации и вентиляции в первую очередь определяется как количеством инфильтрующегося воздуха в здании через ограждающие конструкции, так и режимом вентиляции здания.
Как и в случае с трансмиссионными теплопотерями, существующие в настоящее время модель и методика расчета не учитывают реальных физических процессов, происходящих в конструкциях высотного здания.
Согласно нормам на проведение испытаний на воздухопроницаемость по ГОСТ 26602.2-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения воздухо- и водопроницаемости» испытания проводятся для перепада давлений
11 12 1 2 3
Месяц относительного периода
Рис. 6. Ежемесячные трансмиссионные теплопотери для свето-прозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопаке-том СПД 8ЗИ-16Аг-6М1-14Аг-И6 с двумя низкоэмиссионными покрытиями
Др = 10-600 Па. Согласно европейским нормам БЫ 12152 и БЫ 12153 значения максимальной воздухопроницаемости не должно превышать 1,5 м3/(м-ч) для глухих и 2 м3/(м-ч) для открывающихся фасадных конструкций.
Используемая в настоящее время в России методика оперирует, как правило, значениями воздухопроницаемости при Др =10Па, что вносит значительную систематическую ошибку в определение инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания.
Для определения инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания предлагается разделить процедуру ее определения на два этапа:
- определение предельных значений инфильтрацион-ной составляющей для температуры наиболее холодных суток для региона строительства с учетом изменения температуры по высоте и максимальных значений ветра;
- определение инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания производить для каждого месяца отопительного периода. При этом для определения теплопотерь принимать воздухопроницаемость конструкции согласно результатам лабораторных испытаний.
