ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАРУЖНЫХ СТЕН МНОГОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ НА ПРИМЕРЕ ГОРОДОВ НЕСКОЛЬКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Исследование способов повышения энергоэффективности

наружных стен многоэтажных жилых зданий

на примере городов нескольких климатических зон_

Щёлокова Татьяна Николаевна

к.т.н, доцент, кафедра архитектурно-строительного проектирования и физики среды, Национальный исследовательский, Московский государственный строительный университет, SCHelokovaTN@mgsu.ru

Ибрагимова Гульдар Ринатовна

магистрант, кафедра архитектурно-строительного проектирования и физики среды, Национальный исследовательский, Московский государственный строительный университет, ibragimova0300@icloud.com.

Вследствие роста стоимости топлива, используемого для отопления, исчерпаемости полезных ископаемых, а также роста концентрации парниковых газов, приводящих к повышению температуры на Земле, вопрос энергоэффективности здания становится важной темой экономики и экологии. Для снижения влияния указанных выше параметров необходимо улучшать теплофи-зические характеристики наружных стен жилых зданий. Повышение энергоэффективности зданий может быть основано на более интенсивном использовании существующих технологий устройства стен.

Целью данной работы является получение типового конструктивного решения наружной стены жилого здания на основе изучения особенностей проектирования в различных регионах, учитывая климатические характеристики зоны строительства. В статье рассмотрены особенности проектирования типовых ограждающих конструкций, используемых в РФ. Выполнен теплотехнический расчет стеновых конструкций как «вручную», так и с помощью ПК «Temper 3D», а так же расчет по определению зоны конденсации различных типов наружных ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий в городах, находящихся в I климатическом районе (на примере г. Владивосток, г. Норильск). Приведено сравнение технико-экономических показателей предложенного типового решения с решением, принятым при строительстве существующего здания. На основе данных расчетов сделаны выводы о возможности применения определенных конструктивных решений наружных ограждающих конструкций, которые изложены в данной статье

Ключевые слова: ограждающие конструкции; enclosing structures; термическое сопротивление; thermal resistance; затраты на отопление; heating costs; экономическая эффективность; cost-effectiveness.

«

сч

о

сч

(0

01

Z

114

В 2014 г. Постановлением Правительства РФ № 321 была принята государственная программа РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики». Принципами правового регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности являются:

— эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;

— планирование энергосбережения и повышения энергоэффективности;

— использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий.

Проблема повышенного энергопотребления зданий на данный момент актуальна, так как при повышении стоимости энергоресурсов возрастает плата за коммунальные услуги, что особенно актуально для городов, расположенных в I климатическом районе, таких как Владивосток и Норильск. На данный момент в Российской Федерации, несмотря на актуализацию нормативно-правовой базы, а также использование современных энергосберегающих материалов, требуемый уровень энергоэффективности зданий все еще не достигнут [1]. Строительство домов с энергоэффективными ограждающими конструкциями в России только набирает обороты, по сравнению с Европой [2,3].

Норильск расположен на территории, прилегающей к арктическому побережью [4,5]. Она отличается сильными ветрами, умеренно низкими зимними температурами (до -40°С), а также солнечным климатом. Расположенный в юго-восточной части РФ г. Владивосток и прилегающие к нему территории имеют сложный рельеф, прямо влияющий на формирование различных климатических условий. Сильное охлаждение территории в зимний период и высокие температуры в летний период - причины возникновения муссонных ветров. Зимой главенствуют холодные и сухие воздушные массы, формирующиеся в зоне мощного азиатского антициклона. Летом они меняют свое направление на противоположное. [5]

В связи с тем, что города Норильск и Владивосток находятся в 1Б и 1В климатических подрайонах, при проектировании ограждающих конструкций необходимо учитывать особенности влажного и холодного климата. При значительной разнице между наружной и внутренней температурой создается разность парциальных давлений наружного и внутреннего воздуха, в следствие чего в зданиях накапливается влага. Чтобы предотвратить накопление парообразной влаги в ограждении, следует проектировать наружные ограждающие конструкции так, чтобы наружные слои были более паропроницаемы,

чем внутренние. Это позволит сохранить комфортный микроклимат внутри жилого помещения [6].

В результате анализа наиболее популярных на данный момент ограждающих конструкций, можно сделать предварительный вывод, что наиболее подходящей для условий 1Б и 1В климатических подрайонов является система навесных вентилируемых фасадов. Основное положительное свойство НФС: возможность выравнивать стены без «мокрых процессов», которые обязательны при кладочных или штукатурных работах. Также вентилируемый фасад может быть смонтирован при минусовых температурах без нарушения технологии монтажа. Кроме того, в отличие от штукатурных фасадов, НФС, согласно гарантиям производителей, могут эксплуатироваться без капитальных ремонтов до 50 лет, тем самым сокращая расходы на эксплуатацию. Конструкция вентилируемого фасада является ремонтопригодной: облицовочные плиты легко снимаются и устанавливаются обратно.

Для правильного подбора многослойной конструкции был проведен теплотехнический расчет трех типовых стеновых конструкций: 1 й тип - навесных вентилируемых фасадов [7,8], 2й тип - штукатурных фасадов, 3й тип трехслойных стеновых панелей с учетом теплопроводных включений в 2 разных городах по методикам, изложенным в действующей нормативно-технической документации «вручную» в соответствии с требованиями действующих на территории Российской Федерации нормативных документов.

Достоверность результатов подтверждена аналогичным расчетом с применением метода конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе «ТЕМРЕР^».

Результаты ручного и программного расчета представлены в таблицах 1-2.

Таблица 1

(Сравнение результатов ручного и программного расчета в г. Владивосток)

Таблица 2

(Сравнение результатов ручного и программного расчета в г.

НФС Штукатурные 3-х слойная сте-

фасады новая панель

Расчет Руч- Расчет Руч- Расчет Руч-

в ПК ной расчет в ПК ной расчет в ПК ной расчет

Минималь- -21,55 - -21,84 - -21,49 -

ная температура фраг-

мента, □

Максималь- 18,65 18,55 18,58 18,53 18,65 18,6

ная температура фраг-

мента, □

Температура -19,45 - -19,86 - не рассматрива-

на торцевой ется

части крон-

штейна, □

Приведен- 3,25 3,31 3,35 3,42 3,57 3,61

ное сопро-

тивление

теплопере-

даче м2^/Вт

Коэффици- 0,87 0,89 0,97 0,99 не рассматрива-

ент тепло- ется

технической

однородно-

сти г

НФС Штукатурные 3-х слойная сте-

фасады новая панель

Расчет Руч- Расчет Руч- Расчет Руч-

в ПК ной расчет в ПК ной расчет в ПК ной расчет

Минималь- -46,56 - -46,52 - -46,48 -

ная температура фраг-

мента, □

Максималь- 18,65 18,53 18,54 18,6 18,63 18,59

ная темпера-

тура фраг-

мента, □

Температура -43,13 - -43,71 - не рассматрива-

на торцевой ется

части крон-

штейна, □

Приведен- 4,965 5,26 5,163 5,35 5,597 5,5

ное сопро-

тивление

теплопере-

даче м2-ШВт

Коэффици- 0,79 0,83 0,94 0,97 не рассматрива-

ент тепло- ется

технической

однородно-

сти г

По результатам теплотехнического расчета для г. Владивосток и г. Норильск система штукатурных фасадов показала лучшие теплоизоляционные характеристики. Значение коэффициента теплотехнической однородности /=0,98 и /=0,97 соответственно, характеризует эффективность использования теплоизоляционных свойств совокупности используемых материалов. При этом толщина используемого утеплителя на 30-50% меньше, чем у вентилируемых фасадов и трехслойных стеновых панелей.

Для достоверности результата при выборе ограждающей конструкции необходимо определить зону конденсации всех рассматриваемых конструкций в 2 городах, во избежание биологических нарушений, обусловленных влагой, приводящих к промерзанию стен. [9,10].

Сопротивление теплопередаче: 3.75 (м2*°С)/Вт

— Температура

— Температура 'Точки росы"

- 15 ^ Зона конденсации

- 10 (Т) [20 мм] Сложный (песок, известь, цемент) раствор @ [200 мм] Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат у = 800 кг/мЗ

- О (Т) [100 мм] Минеральная (каменная) вата 75-120 кг'м1 ■5 © ММ1 Вентилируемый воздушный зазор

(5) [25 мм] Отделка на относе

Внутри млчизтаПсак.ги Снаружи

Рисунок 1 - Образование конденсата в стене с НФС в г. Владивосток.

На рисунках 1-2 видно, что для первого и второго типа стены в г. Норильск зона конденсации находится вне утеплителя.

О *

о

X

о

5

а

с т ■о о

т

Ф

л

О"

о т

го а

(•С)

О СЧ О СЧ

(О

Сопротивление теплопередаче: 6.31 (м2*°С)/Вт

— Температура

— Температура 'Точки росы" I I Зона конденсации

0 [20 мм] Сложный (песок, известь, цемент) раствор (?) [200 мм] Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат v = 800 кг/мЗ

@ [200 мм] Минеральная (каменная) вата 75-120 кг'м1 0 [25 мм] Вентилируемый воздушный зазор (?) [25 мм] Отделка на относе

www.smartcalc.ru

учете разница оплаты за отопление будет увеличиваться.

Таблица 3

Анализ экономической эффективности

Рисунок 2 - Образование конденсата в стене с НФС в г. Норильск.

В результате проведенного исследования сделать вывод: для большого перепада температур штукатурные фасадные системы и трехслойные стеновые панели подходят меньше, чем системы вентилируемых фасадов в связи с намоканием утеплителя

Результаты ручных теплотехнических расчетов показали, что для данных климатических районов наиболее целесообразным является система штукатурных фасадов. Расчеты с помощью МКЭ показали те же варианты, сходимость результатов составила 93% при получении значения приведенного сопротивления теплопередаче. Однако, учитывая результаты расчетов на образование конденсата и климатические условия районов строительства, а именно: повышенная влажность во Владивостоке и суровые зимние условия в Норильске, можно сделать вывод, что наиболее подходящей конструкцией является навесная фасадная система. Для города Владивосток коэффициент теплотехнической однородности г=0,89, для города Норильск г=0,83. Зона конденсации для данных конструктивных решений находится вне утеплителя.

Необходимо проверить целесообразность использования принятых выше конструктивных решений [11]. Необходимо посчитать стоимость оплаты отопления в доме с энергоэффективной ограждающей конструкцией и сравнить ее со стоимостью оплаты в существующем доме.

Расчет экономических затрат на отопление представлен в таблице 3, где конструкция 1.1 - это НФС во Владивостоке, 1.2 - существующая конструкция во Владивостоке, 2.1 и 2.2 аналогично для г Норильск.

Из полученных результатов можно сделать выводы:

- Процентное отношение отдачи тепла от количества, требуемого на отопление, для предложенной ограждающей конструкции равно 7,37% во Владивостоке и 3,1% в Норильске;

- Стоимость жилищно-коммунальных услуг, а именно затраты на отопление здания в г. Владивосток ниже на 46%, в г. Норильск - на 137%.

- Экономия на отоплении для г.Владивосток будет составлять 7,15 рублей за 1 м2 стены;

- Экономия на отоплении для г. Норильск будет составлять 70,35 рублей за 1 м2 стены. Также не стоит забывать, что расчет проводился для глухого участка стены (без окон, дверей, балконов). При их

Тип Ср. теп- Кол-во Удельное Кол-во Оплата Оплата

стены лопро тепла кол-во тепла Q за весь за весь

водность Q, тепла q, в гКал период. период

Л, кВтйч в кВтйч/м2 Руб 1м2,

Вт/м2ПС год в год для руб

фасада

20 м

1 2 3 4 5 6 7

1.1. 0,198 124,116 6,206 0,106721 310,09 15,50

1.2. 0,160 181,321 9,066 0,155908 453,02 22,65

2.1. 0,570 300,888 15,044 0,258717 1024,92 51,25

2.2. 0,570 713,952 35,698 0,613888 2431,94 121,60

Согласно тарифным ставкам на оплату кап. ремонтов, идентичных для любых жилых зданий, можно сделать вывод, что стоимость периодических затрат для расчетного срока службы зданий 50 лет - идентична. Однако необходимо учесть, что при строительстве здания по стандартной технологии, первый капитальный ремонт будет проведен через 30 лет, а при строительстве здания с системой навесных вентилируемых фасадов - через 50 лет.

Выводы

По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

- изучены особенности проектирования жилых зданий, на основе анализа конструктивных решений, принятых в Российской Федерации и за рубежом, по результатам которого предварительно был сделан вывод о том, что наиболее подходящей для условий 1Б и IB климатических подрайонов является система навесных вентилируемых фасадов.

- выполнены теплотехнические расчеты «вручную» и с помощью ПК «Temper 3D», расчеты по определению зоны конденсации различных типов наружных ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий в городах, находящихся в I климатическом районе: Владивосток, Норильск.

- выполнено сравнение полученных результатов для данных конструктивных решений, в результате чего был сделан вывод: наиболее подходящей ограждающей конструкцией является система навесных вентилируемых фасадов, имеющая зону конденсации вне конструкции. Для города Владивосток, по результатам ручного расчета, приведенное сопротивление теплопередаче R= 3,31 м2-0С/Вт, коэффициент теплотехнической однородности /=0,89. Для города Норильск Но=5,26 м20/Вт, /=0,83. Сходимость результатов ручного и программного расчета составила 94%.

- выполнено сравнение технико-экономических показателей предложенного типового решения с решением, принятым при строительстве существующего здания. При этом потери тепла на площадь фасада у существующих конструкций домов серии 1-447 (построенных в 1955-1976-х г.) выше на 46,1% в г. Владивосток и на 137% в г. Норильск, чем у предложенных во 2-й главе ВКР систем навесных фасадов.

- проведена оценка экономической эффективности принятых решений для наружных ограждающих конструкций, в результате которой выяснилось, что стоимость жилищно-коммунальных услуг, а именно затраты на отопление здания с предложенным конструктивным решением ниже на 7,15 р. в г. Владивосток и на 70,35 р. в г. Норильск (согласно тарифам, принятым на 2023г.). Также по причине того, что конструкции навесных фасадных систем являются долговечными, срок службы зданий, построенных с применением данной технологии, составляет 50 лет, что сокращает затраты на капитальный ремонт фасадов.

Тема энергоэффективного строительства является актуальной на сегодняшний день. При дальнейших исследованиях необходимо рассмотреть различные типы подконструкций НФС (кронштейны, направляющие), материал которых влияет на срок службы системы, а также более подробно изучить экономические аспекты.

Литература

1. Gumerova E., Gamayunova O., Meshcheryakova T. Energy Efficiency Upgrading of Enclosing Structures of Mass Housing of the Soviet Union // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. № 692 -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35527091);

2. Бродач М. М. Vikki - экспериментальный жилой район // Здания высоких технологий. 2014. Зима

(http://zvt.abok.ru/articles/125/Viikkieksperimentalnii_z hiloi_raion);

3. Табунщиков Ю.А. Бродач М.М. Энергетически пассивный многоэтажный жилой дом // АВОК. 2013. №1 -(https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5432);

4. Файзуллаев Ф.Ф. Особенности проектирования многоэтажных жилых домов в условиях муссон-ного климата (на примере Приморского края РФ) // Вестник науки и образования. 2019. №3 (57) -https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-proektirovaniya-mnogoetazhnyh-zhilyh-domov-v-usloviyah-mussonnogo-klimata-na-primere-primorskogo-kraya-rf);

5. Варенок С.В. Конструктивные решения наружных стен многоэтажных жилых зданий в зоне мус-сонного климата России // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. №12 - (https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=tfcasf);

6. Краснова К.В. Особенности строительства многоэтажных жилых зданий в условиях Крайнего Севера // Устойчивое развитие науки и образования. 2019. №8 -(https://elibrary.ru/item.asp?id=39548725);

7. Belous A.N., Kotov G.A., Belous O.E., Garanzha I.M. Calculation of heat resistance of external enclosing structures with heat-conducting inclusions // Magazine of Civil Engineering. 2022. №113(5) -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49295984)

8. Gamayunova, O., Petrichenko, M., Mottaeva, A. Thermotechnical calculation of enclosing structures of a

standard type residential building // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614.

(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45239552)

9. Straube J. F. Влага в зданиях // АВОК. 2002. №6 -(https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1843);

10. Михеева Ю.Л. Причины повышения влажности стен // Строительство и техногенная безопасность. 2013. №48 - (https://elibrary.ru/vmkdiz);

11.Andreas M. The value of energy efficiency and the role of expected heating costs // ENVIRONMENTAL AND RESOURCE ECONOMICS/ 2018. №3 -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53316309).

Study of ways to improve the enerav efficiency of the outer walls of multistorey residential buildings on the example of cities in several climatic zones Shchelokova T.N., Ibragimova G.R.

National Research, Moscow State University of Civil Engineering Due to the rising cost of fuel used for heating, the depletion of minerals, as well as the increase in the concentration of greenhouse gases, leading to an increase in the temperature on Earth, the issue of building energy efficiency is becoming an important topic of economics and ecology. To reduce the influence of the above parameters, it is necessary to improve the thermophysical characteristics of the outer walls of residential buildings. Improving the energy efficiency of buildings can be based on more intensive use of existing wall technology. The purpose of this work is to obtain a typical constructive solution for the outer wall of a residential building based on the study of design features in different regions, taking into account the climatic characteristics of the construction zone.

The article discusses the design features of typical enclosing structures used in the Russian Federation. The thermotechnical calculation of wall structures was carried out both "manually" and using the Temper 3D PC, as well as a calculation to determine the condensation zone of various types of external enclosing structures of multi-storey residential buildings in cities located in the I climatic region (on the example of Vladivostok , Norilsk). The comparison of the technical and economic indicators of the proposed standard solution with the decision taken during the construction of the existing building is given. Based on these calculations, conclusions were drawn about the possibility of using certain design solutions for external enclosing structures, which are set out in this article. Keywords: enclosing structures; enclosing structures; thermal resistance; thermal resistance; heating costs; heating costs; economic efficiency; cost effectiveness. References

1. Gumerova E., Gamayunova O., Meshcheryakova T. Energy Efficiency Upgrading of Enclosing Structures of Mass Housing of the Soviet Union // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. № 692 -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35527091);

2. Brodach M. M. Vikki - experimental residential area // Buildings of high technologies. 2014. Winter -(http://zvt.abok.ru/articles/125/Viikkieksperimentalnii_zhiloi_raion);

3. Tabunshchikov Yu.A. Brodach M.M. Energetically passive multi-storey residential building // AVOK. 2013. №1 -(https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5432);

4. Fayzullaev F.F. Features of designing multi-storey residential buildings in a monsoon climate (on the example of the Primorsky Territory of the Russian Federation) // Bulletin of Science and Education. 2019. №3 (57) -https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-proektirovaniya-mnogoetazhnyh-zhilyh-domov-v-usloviyah-mussonnogo-klimata-na-primere-primorskogo-kraya-rf);

5. Varenok S.V. Constructive solutions of exterior walls of multi-storey residential buildings in the monsoon climate zone of Russia // Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. 2014. №12 -(https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=tfcasf);

6. Krasnova K.V. Features of the construction of multi-storey residential buildings in the conditions of the Far North // Sustainable development of science and education. 2019. №8-(https://elibrary.ru/item.asp?id=39548725);

7. Belous A.N., Kotov G.A., Belous O.E., Garanzha I.M. Calculation of heat resistance of external enclosing structures with heat-conducting inclusions // Magazine of Civil Engineering. 2022. №113(5) -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49295984)

8. Gamayunova, O., Petrichenko, M., Mottaeva, A. Thermotechnical calculation of enclosing structures of a standard type residential building // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614. (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45239552)

9. Straube J. F. Moisture in buildings // ABOK. 2002. №6 -(https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1843);

10. Mikheeva Yu.L. Reasons for increasing the humidity of the walls // Construction and technogenic safety. 2013. №48 - -(https://elibrary.ru/vmkdiz);

11. Andreas M. The value of energy efficiency and the role of expected heating costs // ENVIRONMENTAL AND RESOURCE ECONOMICS/ 2018. №3 -(https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53316309).

О *

о

X

о

3

s *

ai

с т ■и о s т о а г

о т

и и