CC BY
108
УДК 624.01
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ С ЛИТЫМИ КОМПОЗИТАМИ
О. А. Гнездилова1, Б. И. Пинус2
1Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены сравнительные результаты численного моделирования тепловых потерь зданий с ограждающими многослойными конструкциями, выполненными слоистой кладкой с различными теплоизоляционными материалами. Установлено, что основным фактором тепловых потерь является трансмиссия тепла через стеновое ограждение. Показано, что существенное снижение трансмиссионных теплопотерь может быть достигнуто путем использования многослойных ограждающих конструкций с литыми поропластовыми утеплителями. Ил. 3. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: энергетическая эффективность; ограждающие конструкции; тепловая защита; теплопо-тери.
ENERGY EFFICIENT BUILDING ENVELOPES WITH CAST COMPOSITES O.A. Gnezdilova , B.I. Pinus
llrkutsk State University of Railway Engineering, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074. 2National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors present the comparative results of the numerical simulation of heat losses from buildings with multilayer building envelopes made of sandwich-type masonry with different heat-insulating materials. It is established that the main factor of heat losses is the heat transmission through the wall envelope. It is shown that the use of multilayer building envelopes with cast cellular plastic heat insulation provides a significant reduction of heat transmission losses. 3 figures. 3 tables. 5 sources.
Key words: energy efficiency; building envelopes; heat insulation; heat loss.
Постановка вопроса
Выполнение нормативных требований по тепловой защите зданий [1] достигается на стадии проектирования с использованием двух альтернативных подходов:
- традиционного, когда нормативные требования предъявляются к отдельным ограждающим конструкциям;
- потребительского, при котором устанавливается величина удельного расхода тепловой энергии на отопление здания в целом.
При этом удельный расход тепла регламентирован для соответствующего региона в зависимости от назначения, этажности и отапливаемого объёма здания и определяется по методике СНиП [1].
Критерий достаточности тепловой защиты при её потребительской оценке состоит в выполнении неравенства
дГ * д?,
где д** - расчётная суточная величина требуемого по условиям эксплуатации расхода тепловой энергии
2
на отопление здания, кДж/м -°С-сут.
Энергопотребление здания зависит от многочисленных аналитически трудно учитываемых факторов (климатических условий, объёмно-планировочного и конструктивного решений, широтной ориентации и др.), в своей совокупности определяющих общие потери теплоты, которые должны быть компенсированы теплоотдачей системы отопления.
Расчёты общих потерь теплоты, вследствие неизбежных тепломассообменных процессов в ограждающих конструкциях здания (стен, окон, дверей, кровли), и потребности тепловой энергии выполнены для 9-этажного здания серии 1.120.1 с/89 по методике [2]. Исходные предпосылки расчётов Здание каркасное, фундамент - монолитная железобетонная плита, наружные стены - трехслойные кирпичные с эффективным утеплителем, выполнены как заполнение каркаса, крыша - деревянная стропильная, окна - двухкамерные стеклопакеты из ПВХ. Высота здания - 32,68 м, этажа - 3 м. Фрагменты и состав наружной стены здания и чердачной кровли представлены на рис. 1, геометрические характеристики здания - в табл. 1.
1 Гнездилова Ольга Анатольевна, старший преподаватель кафедры изыскания, проектирования, постройки железных дорог и управления недвижимостью, тел.:89086678300.
Gnezdilova Olga, Senior Lecturer of the chair of Surveying, Designing, Building of Railways and Real Estate Management, tel.: 89086678300.
2Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительных конструкций, тел.: (3952) 620501.
Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the chair of Building Structures, tel.: (3952) 620501.
Таблица 1
Геометрические показатели здания
Наименование показателя Значение показателя
Общая площадь наружных
ограждающих конструкций здания, м2: 2465,18
стен 1314,58
окон и балконных дверей 371,85
окон лестничной клетки 6,65
входных дверей 2,75
пола 1-го этажа 388
чердачного перекрытия 388
Площадь квартир, м2 2710,22
Площадь жилых комнат, м2 1544,08
Площадь жилых помещений 2571,44
и кухонь, м2
Отапливаемый объём, м3 9428,4
Отапливаемая площадь, м2 3492
Расчётный показатель 0,26
компактности здания
Кратность воздухообмена 0,58
здания, ч 1
Теплоснабжение здания осуществляется от городских тепловых сетей, в качестве теплоносителя принята перегретая вода 70-95°С. Система отопления
- однотрубная с нижней разводкой, нагревательные приборы - чугунные радиаторы с терморегуляторами, позволяющими автоматически поддерживать температуру воздуха в помещениях на заданном уровне.
Температура внутреннего воздуха принималась нормативной (+21 °С), температура наружного воздуха
- равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 (-36 °С), максимальная (из средних) скорость ветра по румбам за январь - 2,9 м/с (по СНиП 23-01-99 [3]).
В целях сопоставления результатов расчётов характеристики окон, входных дверей, перекрытия 1-го и последнего этажей, а также бытовые теплопоступле-ния и от солнечной радиации приняты одинаковыми для всех вариантов. Теплозащитные качества окон принимались по СНиП 23-02-2003. Инфильтрацион-ные теплопотери определены из условий воздухообмена 3 м3/ч на 1 м2 площади.
Рис. 1. Фрагменты ограждающих конструкций здания: а - наружная стена, б - кровля; 1 - сухая штукатурка из ГКЛ ^1=800 кг/м3, А1=0,19 Вт/м■ оС); 2 - обыкновенный глиняный кирпич на цементно-песчаном растворе ^2=1800 кг/м3, Кг=0,7Вт/м■ оС); 3 - утеплитель; 4 - керамический пустотный кирпич на цементно-песчаном растворе (у4= 1600 кг/м3, Л4= 0,58 Вт/м■ оС); 5 - железобетонная плита (у5=2500 кг/м3, Л5= 1,92 Вт/м■ оС); 6 - пароизоляция; 7 - экструдированный пенополистирол ^7=28 кг/м3, Л7= 0,031 Вт/м■ оС); 8 - стяжка из цементно-песчаного раствора
(у8=1800 кг/м3, Л8= 0,76 Вт/м■ оС)
а)
Теплопос-тупления от солнечной радиации 13%
Бытовые теплопос-тупления 18%
Трансмиссионные теплопо-тери 69%
б)
Инфильт рация 43%
Перекрытие 1-го этажа 10%
Стены 23%
Окна и входные двери 18%
Чердачное перекрытие 6%
Рис. 2. Структура теплопотребления 9-ти этажного здания
Таблица 2
Сопротивление теплопередаче элементов ограждающих конструкции здания при различных уровнях _теплозащиты, м2°С/Вт_
Наружные ограждения здания
Стены Окна и Чердачное Пол 1-го
двери перекрытие этажа
Минимально допустимый уровень теплозащиты по санитарно-гигиеническим
условиям проживания (для климатических условий г. Иркутска)
1,64 0,58 1,97 1,09
Повышенный уровень теплозащиты с точки зрения энергосбережения
Материал утеплителя и его характеристики
Поропласт Минераловатные Плиты из
СР02 ^=20 кг/м3, плиты из стекловолокна Ц^БА пенополистирола ПСБ-С ГОСТ 15588- 0,54 6,81 4,23
Л=0,030 П20 ^=20 кг/м3, 86 ^=35 кг/м3,
Вт/м-°С) Л=0,042 Вт/м-оС) Л=0,041 Вт/м-оС)
5,2 3,04 3,1
Основные результаты расчётов Расчёт расхода тепловой энергии на отопление 9-ти этажного жилого здания с минимально допустимым санитарно-гигиеническим уровнем теплозащиты показал, что около 70% тепла теряется через оболочку здания (рис. 2,а). Следовательно, основной потенциал энергосбережения в гражданских зданиях заложен в совершенствовании ограждающих конструкций
на основе повышения их теплозащитных свойств.
Структура трансмиссионных теплопотерь представлена на рис. 2,6. На наружные стены зданий приходится более 50% площади ограждающих конструкций, при этом и теплопотери через стены составили 23% от расчётного расхода тепла. Из приведённых данных следует, что одной из актуальнейших задач является разработка новых энергосберегающих сте-
Таблица 3
Теплоэнергетические показатели 9-ти этажного дома при различных вариантах утепления его
оболочки
Теплоэнергетические показатели Единица измерения Материал утеплителя
Поропласт СР02 Минераловатные плиты (стекловолокно) Пенопо-листирол
Приведённый коэффициент теплопередачи здания Вт/м2-оС 0,433 0,503 0,503
Условный коэффициент теплопередачи здания, учитывающий тепло- потери за счёт инфильтрации и вентиляции Вт/м2-оС 0,634 0,634 0,634
Общий коэффициент теплопередачи здания Вт/м2-оС 1,067 1,137 1,137
Общие теплопотери через ограждающую оболочку здания за отопительный период МДж 1609433,7 1715039,8 1713821,7
Бытовые теплопоступления за отопительный период МДж 533213,798
Теплопоступления в здание от солнечной радиации за отопительный период МДж 372699,076
Потребность в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период МДж 1223355,9 1340578,7 1339226,6
Расчётный удельный расход тепловой энергии на отопление здания, д** кДж/м2-оС-сут 63,54 69,63 69,56
Стоимость тепловой энергии на отопление здания (при тарифе на тепловую энергию СТ = 496 руб/Гкал = 0,43 руб/ кВт-ч [4]) руб. 173667,1 187768,7 187607,2
Стоимость, отнесённая на 1 м2 отапливаемой площади здания руб./м2 49,76 53,77 53,72
Стоимость возведения 1 м2 стены тыс. руб. 0,56 0,74 0,99
Рис. 3. Распределение теплопотерь через ограждающие конструкции здания при различных теплоизоляционных
материалах
новых ограждений зданий.
Сравнительная оценка энергетической эффективности выполнена для ограждающих конструкций слоистой кладки со средним слоем из теплоизоляционных материалов: пенополистирол, минераловатные плиты и заливочный композит «Поропласт СР02». Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций здания при различных уровнях теплозащиты приведено в табл. 2.
Результаты расчёта потребности здания в тепловой энергии на отопление за отопительный период представлены в табл. 3. Теплопотери здания были дифференцированы по конструктивным элементам (рис. 3). Исследование вариантов теплозащиты показывает, что наименьшие трансмиссионные теплопотери через наружные стены даёт вариант их утепления заливочным поропластом (на 67-70% меньше, чем при утеплении плитами из пенополистирола и минеральной ватой из стекловолокна).
При утеплении здания рассмотренными теплоизоляционными материалами расчётный удельный расход тепловой энергии на отопление не превышает нормируемой величины, составляющей 76 кДж/м2-оС-сут [1], следовательно ограждающие конструкции здания соответствуют требованиям СНиП 2302-2003 по показателю «в». Удельный расход тепловой энергии на отопление здания при утеплении его
поропластом, а следовательно и затраты на отопление 1 м2 здания, в среднем на 8% ниже, чем при утеплении плитами из минеральной ваты и пенополистирола. При этом стоимость возведения наружных стен с заливочным поропластом на 32% меньше, чем при утеплении их плитами из пенополистирола, и 77% - из минеральной ваты. Кроме того, результаты экспериментальных исследований «Поропласта СР02» в условиях, адекватных его работе в ограждающих конструкциях зданий, опубликованные ранее в работе [5], показывают, что при длительной (около 50 лет) эксплуатации ожидаемое увеличение коэффициента теплопроводности поропласта составит 0,032 Вт/м-оС, что вызовет увеличение теплопотерь через наружные стены здания на 5,6%. То есть и в длительной перспективе энергоэффективность поропласта выше.
Основные выводы
1. Тепловую защиту здания целесообразно проектировать с использованием потребительского подхода, позволяющего получать интегральную оценку теплопотерь и потребности в тепловой энергии.
2. Основным фактором тепловых потерь является трансмиссия тепла через стеновое ограждение.
3. Существенное снижение трансмиссионных потерь может быть достигнуто путём использования многослойных ограждающих конструкций с литыми поропластовыми утеплителями.
Библиографический список
1. Тепловая защита зданий: СНиП 23-02-2003. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. 43с.
2. Проектирование тепловой защиты зданий: СП 23-1012004. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. 141с.
3. Строительная климатология: СНиП 23-01-99. М.: ГУП ЦПП, 2000. 58 с.
4. http://irkutsk.ru/news/date/2009-12-30/еуеП
5. Гнездилова О.А. Исследование влияния эксплуатационных факторов на теплопроводность «Поропласта СР02» // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог: труды ВНПК с междунар. участием. Иркутск: ИрГУПС, 2009. Т. 1. С. 169173.
ПОНЯТИЕ ПОВЕРХНОСТИ В ДИЗАЙНЕ АРХИТЕКТУРНОЙ СРЕДЫ А. С. Иванова1, А. Д. Калихман2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Понятие поверхности в дизайне архитектурной среды и в любой другой физической среде не всегда поддается однозначному описанию вследствие фундаментальности такой категории, как поверхность. В статье, которая предполагается начальной в исследовании проблемы восприятия поверхности в архитектурной среде, сделана попытка дать общую классификацию морфологических и символических описаний, содержание которых определяется функциональными и эстетическими свойствами поверхности. Ил. 3. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: архитектура; дизайн; поверхности; форма; цвет; фактура; формообразование.
THE CONCEPT OF SURFACE IN THE DESIGN OF AN ARCHITECTURAL ENVIRONMENT A. S. Ivanova, A.D. Kalikhman
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The concept of the surface in the design of an architectural environment and in any other physical environment does not always yield to an exact description as a result of the fundamentality of the category of the surface. The article, which is supposed to start the investigation of the problem of surface perception in the architectural environment, makes an attempt to give a general classification of morphological and symbolic descriptions, whose content is defined by functional and aesthetic properties of the surface. 3 figures. 3 sources.
Key words: architecture; design; surfaces; shape; color; texture; shaping.
Общепринятым является тезис о том, что архитектура организует окружающее человека пространство или архитектурную среду. Подобная декларация подразумевает в большинстве случаев отсутствие какой-либо функциональной самостоятельности у формирующих пространство архитектурных составляющих, воспринимаемых визуально и тактильно. При этом поверхности, ограничивающие и определяющие пространство архитектурной среды, призваны сохранять свои специфические функции. Кроме того, известное противоречие функциональной и эстетической составляющих не должно приводить к ограничениям в описаниях понятия поверхности, когда рассматриваются, например, цветовые, пластические, конфигурационные, рельефные, фактурные, материальные и другие характеристики.
Рассмотрение очевидного на первый взгляд понятия поверхности требует исходной констатации того факта, что восприятие пространственно-предметной архитектурной среды является исключительно визуальным и тактильным. Следующим важным фактом можно считать связанные с геометрическими представлениями понятия односвязных поверхностей типа сферической, эллипсоидной, тороидальной и многосвязных поверхностей типа кубической, конической, цилиндрической. Перечисленные поверхности образуют известные геометрические фигуры, формируемые в первом случае одной, а во втором случае несколькими плоскими или искривленными поверхно-
стями. Очевидным следствием сказанного является констатация факта отсутствия различия между понятиями поверхности и формы в их первичности, подчиненности или самостоятельности.
Поэтому фундаментальность понятия поверхности совершенно неотделима от не менее фундаментального понятия форма. Однако, по мнению А.Г. Раппа-порта [1, с. 24] определение или узнавание формы ограничивается только теми формами, которые освоены нашими знанием и мышлением в культурной традиции и языке. Случаи невозможности определения формы для так называемых бесформенных предметов оставляют, тем не менее, достаточную свободу для описания их поверхностей. Следуя А.Г. Раппапор-ту [1, с. 25], можно попытаться использовать для описания поверхности сформулированную им категориальную парадигму, важную для понимания архитектурной среды, относящуюся к ее «морфологии», «символике» и «феноменологии».
Морфологическое описание поверхности (неразрывное с формой) должно касаться фиксации всех размерных параметров и конфигурации, существенных для проектирования, численных характеристик образующих поверхности материалов, в итоге определяющих стилистику или символику создаваемого архитектурного пространства. Символическое описание поверхности всегда связано с какой-то культурной традицией и в самом простом случае с формой поверхности (круг, квадрат, звезда и пр.), хотя следует
1Иванова Анастасия Сергеевна, старший преподаватель кафедры архитектурного проектирования, магистрант, тел.: 89086477715, e-mail: admi-nir@mail.ru
Ivanova Anastasia, Senior Lecturer of the chair of Architectural Design, undergraduate, tel.: 89086477715, e-mail: admi-nir@mail.ru
2Калихман Аркадий Давидович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры архитектурного проектирования. Kalihman Arkady, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the chair of Architectural Design.
