CC BY
21Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Energy efficient construction
УДК 699.86
О.Д. САМАРИН, канд. техн. наук (samarin-oleg@mail.ru), Е.О. НАСОНОВА, бакалавр
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Исследование зависимости теплотехнической однородности наружных ограждений от геометрических характеристик зданий
Рассмотрена зависимость коэффициента теплотехнической однородности наружной стены от конструктивных особенностей зданий с использованием процедуры СП 50.13330.2012 с применением ряда типовых проектов для массового строительства. Приведены результаты расчетов геометрических параметров, в том числе количества и протяженности точечных и линейных теплотехнических неоднородностей и суммарных дополнительных удельных теплопотерь через эти неоднородности для одного из наиболее характерных объектов. Представлены результаты вычислений коэффициента теплотехнической однородности для всей рассматриваемой группы зданий в виде корреляционных зависимостей от коэффициента компактности и других параметров. Дан анализ полученных данных и сделаны выводы относительно характера и степени влияния различных геометрических характеристик объекта на эффективность использования теплоизоляционного материала в конструкции стены. Изложение проиллюстрировано графическими и числовыми примерами.
Ключевые слова: сопротивление теплопередаче, теплотехническая неоднородность, коэффициент компактности, отапливаемый объем, коэффициент сплюснутости.
O.D. SAMARIN, Candidate of Sciences (Engineering) (samarin-oleg@mail.ru); E.O. NASONOVA, Bachelor Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (26, Yaroslavskoye Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
The Study of Dependence of Thermotechnical Uniformity of External Enclosures on Geometrical Adjectives of Buildings
Dependence of a thermal uniformity factor of an external wall on the construction peculiarities of buildings using the procedure of the SP 50.13330.2012 with application of the series of standard projects for mass building is considered. Results of calculations of geometrical parameters, including quantities and lengths both of dot and linear thermal non-uniformities and total additional specific heat losses through these non-uniformities for one of the most typical objects are shown. Results of calculations of the thermal uniformity factor for the entire group of buildings considered are presented as the correlation dependences on the compactness factor and other parameters. The analysis of the data obtained is given and conclusions concerning the character and severity of the influence of different geometrical adjectives of an object on the efficiency of a thermal insulation material used in the wall design are made. The statement is illustrated by graphic and numerical examples.
Keywords: thermal resistance, thermal non-uniformity, compactness factor, heated volume, flattening factor
В рамках пересмотра действующей нормативной базы в области строительства в Российской Федерации с 1 июля 2013 г. вступила в силу актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» -СП 50.13330.2012 (далее - СП 50). Этот документ предполагает значительное изменение подходов к выбору теплозащиты наружных ограждений и их теплотехническому расчету [1-4], что облегчает разработку энергосберегающих и в то же время экономически эффективных наружных ограждений. Данный вопрос рассматривался разными авторами как в нашей стране, так и за рубежом [2-7]. В то же время требования и рекомендации СП 50 позволяют провести значительный объем исследований, которые дают возможность выявить и установить зависимости и соотношения между теплофизическими и геометрическими характеристиками ограждающих конструкций и зданий в целом, а также наружными климатическими параметрами. Это может оказать значительную помощь в практике массового проектирования с точки зрения выработки рекомендаций по оптимизации архитектурно-конструктив-
ных и объемно-планировочных решений зданий, а также накопления статистических данных по теплотехническим показателям различных ограждений и объектов массового строительства.
В настоящей работе рассматривается исследование изменения теплотехнической однородности ограждений общественных зданий. Первоначально была поставлена задача вычисления приведенного сопротивления теплопередаче Л^, м2 К/Вт, выделенного фрагмента наружного ограждения, а именно наиболее неблагоприятной в теплотехническом отношении наружной стены. Методика такого расчета приведена в Приложении Е СП 50. Согласно этой методике нормируемое значение Л1^ следует принимать по таблице 3 СП 50 в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП), оСсут/год, для рассматриваемого региона строительства. Величина ГСОП определяется по выражению ГСОП = (^ — где
оС, и zоI, сут - соответственно средняя температура наружного воздуха за отопительный период и его продолжительность, принимаемые по СП 131.13330.2012 «Акту-
Энергоэффективное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Сводная таблица тепловых потоков через теплопроводные включения и узлы
Вид неоднородности Ед. изм. Суммарная протяженность линейных элементов, м Удельная длина j м/м2, или количество точечных элементов nk, шт./м2 Значение величины дополнительного теплового потока ф. Вт/(м-К), или хк, Вт/К* Дополнительные потери теплоты через узлы (произведение значений, указанных в кол. 4 и 5), Вт/(м2'К)
1 2 3 4 5 6
Тарельчатые дюбели шт. - 6 0,005 0,03
Оконные откосы м 98,4 0,632 0,05 0,0316
Углы вогнутые м 12,6 0,081 -0,14 -0,0113
Углы выпуклые м 18,9 0,121 0,078 0,0095
Примыкание к фундаменту м 29,4 0,189 0,175 0,0331
Примыкание к кровле м 29,4 0,189 0,15 0,0283
ДК (сумма по кол. 6) 0,1212
Rч, м2'К/Вт 2,8
К=1/Кп>, Вт/(м2'К) 0,357
Цр=К-ДК, Вт/(м2'К) 0,236
Г = и„/К 0,661
Дополнительные данные: число этажей - 2; площадь наружной стены, для которой определяется г: Д,с=157 м2; суммарная площадь наружных ограждений .4^=2174 м2, в том числе пола над неотапливаемым подвалом и чердачного перекрытия Апл+Ап1=1440 м2 и фасадов 4^=734 м2; отапливаемый объем Уот=4334 м3; коэффициент компактности 0,502 м"1;
А +А коэффициент сплюснутости КСП= ш "=1,96 (безразмерный). Ашс+лок * СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей».
ализированная редакция СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», а ^ - средняя температура внутреннего воздуха в здании в холодный период года для расчета системы отопления, оС, принимаемая по ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
Фактическая величина для неоднородной конструкции вычисляется по формуле:
1
Х^+ХМ+Хэс*«*
(1)
где а. - площадь плоского элемента конструкции /-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м2/м2; •ф. - удельные потери теплоты через .'-ю линейную теплотехническую неоднородность, Вт/(м К); хк - удельные потери теплоты через к-ю точечную теплотехническую неоднородность, Вт/К; I. и пк - соответственно длина и количество теплотехнических неоднородностей, приходящихся на 1 м2 поверхности ограждения. Если речь идет отдельно о наружной стене, можно принимать а=1 м2/м2. Параметр и при этом определяется следующим образом: 1 _ 1
U=-
(2)
ток по глади конструкции, т. е. без учета теплопроводных включений, Вт/(м2-К).
Поскольку нормируется именно величина Я„р, из (1) получаем:
ЪЦа, +SV,/, +1%кпк= -^¡р =К,
(3)
где К=—^р- - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2-К), откуда:
и^К-ЬчД-Ъхл (4)
- требуемое значение и исходя из обеспечения необходимой величины Л„р.
После этого из (2) можно выразить обычным способом требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя:
^ут и (га. п..
тр
(5)
<хв > ан
где Щ™ - условное сопротивление теплопередаче однородной части фрагмента теплозащитной оболочки здания /-го вида, м2К/Вт (без учета теплотехнической неоднородности); ав и ан - соответственно коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2К). Для наружной стены можно принимать ав = 8,7 Вт/(м2-К); ан = 23 Вт/(м2-К). Величина Х-К,- представляет собой суммарное термическое сопротивление всех слоев однородной части фрагмента конструкции, м2К/Вт. Таким образом, параметр и - это удельный тепловой по-
где XRKj - суммарное термическое сопротивление всех слоев конструкции, за исключением утеплителя, м2К/Вт.
Отсюда требуемая толщина слоя утеплителя бут =iiyTXyT, м, где ^.уг - теплопроводность материала утеплителя, Вт/(мК). Теперь можно вычислить и коэффициент теплотехнической однородности r = UTp /К для оценки эффективности использования утеплителя. Для исследования характеристик отдельно взятого здания данная методика ранее применялась автором, в частности в работе [8].
В предлагаемом исследовании расчеты проводились для 22 типовых проектов общественных зданий различного назначения и размеров, имеющих не более трех этажей, с отапливаемым объемом V0T от 1800 до 21000 м3. На первом этапе климатические параметры были приняты для одного района строительства - г. Москвы. Необходимые площади
Научно-технический и производственный журнал
Energy efficient construction
ограждающих конструкций определялись по строительным чертежам. В качестве примера в таблице приведены данные для одного из использованных зданий.
В каждом случае выявлялась наиболее невыгодная с точки зрения теплотехнической однородности наружная стена, для которой и осуществлялись вычисления по рассматриваемой методике. Необходимые геометрические показатели, такие как площади конструкций, протяженность линейных элементов и количество точечных, принимались по строительным чертежам. Результатами являлись значения коэффициента г, которые затем сопоставлялись с основными характеристиками зданий для обнаружения взаимосвязи между ними. В качестве реперных параметров первоначально были выбраны Ут и коэффициент компактности К"комп, равный отношению суммарной площади наружных ограждений ЕА, к величине Уот. Были построены соответствующие поля корреляции, изображенные на рис. 1 и 2, и обозначены линии трендов.
По результатам расчетов было замечено, что между г и К"комп наблюдается достаточно выраженная корреляция с коэффициентом 0,62, чего нельзя сказать о параметре Уот. Следовательно, в действительности Ут сам по себе на эффективность использования теплоизоляционного материала прямого влияния не оказывает, зато компактность является определяющей. Кроме того, обнаружено, что корреляция г и КТкомп в данном случае отрицательна. По-видимому, это связано с тем, что рост К"комп означает по определению относительное увеличение площади ЕА, и, в том числе наружных стен, а при повышении их размеров уменьшается относительный вклад линейных элементов, особенно примыканий к фундаменту и кровле, в суммарную тепловую проводимость ограждения.
После этого была исследована взаимосвязь г и другого показателя, более полно характеризующего архитектурно-конструктивные и объемно-планировочные особенности объекта - коэффициента сплюснутости Д,п, равного отно-А +А
шению ,пд ,дт суммарной площади пола над подвалом Апл
и покрытия или чердачного перекрытия Апт, м2, к общей площади фасадов здания, складывающейся из наружных стен Анс и окон Аок. Легко убедиться, что для низких широких зданий этот коэффициент будет выше, чем для высоких типа «башня». Таким образом, в отличие от Уот и Ккомп он относится в первую очередь к форме здания и определяет соотношение различных ограждающих конструкций и их влияние на общую теплозащиту оболочки здания. Результаты расчетов в виде поля корреляции представлены на рис. 3.
Однако легко видеть, что и здесь никакой статистически значимой взаимосвязи, как и в случае с Уот, не обнаруживается. Это свидетельствует о том, что в действительности на г влияет не столько доля тех или иных ограждений в общей величине ЕА,, сколько геометрия объекта. Таким образом, определяющим геометрическим параметром, существенно сказывающимся на теплотехнической неоднородности наружных ограждений здания и на эффективности использования теплоизоляционного материала, служит именно коэффициент компактности. Этот вывод несколько отличается от результатов работы [9], где было выявлено, что для другого нормируемого показателя - удельной теплозащитной характеристики здания - определяющим оказывается именно Уот. В ходе дальнейших исследований авторы
r
0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5
0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75
Ккомп
Рис. 1. Корреляционная зависимость величины r от Ккомп
r
0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5
0 5000 10000 15000 20000
^от
Рис. 2. Корреляционная зависимость значения r от V0T r
0 , 8 0 , 75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,50
Рис. 3. Корреляционная зависимость величины r от Ксп
25000
Ксг
планируют с использованием более широкой базы данных, в том числе для различных районов строительства с иными климатическими характеристиками, получить необходимые количественные соотношения, пригодные для использования в практике массового проектирования.
Список литературы
1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4-12.
2. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2011. № 8. С. 2-6.
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О требованиях к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированной редакции СНиП «Тепловая защита зданий» // Вестник МГСУ. 2011. № 7. С. 59-66.
4. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.
Энергоэффективное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
5. Dylewski R., Adamczyk J. Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments // Energy and Buildings. 2012. No. 54. P. 88-95.
6. Lapinskiene V., Paulauskaite S., Motuziene V. The analysis of the efficiency of passive energy saving measures in office buildings. Papers of the 8th International Conference «Environmental Engineering». Vilnius. 2011. P. 769-775.
7. Feist W. Das Niedrigenergeihaus. 4. Auflage. Heidelberg: C.F. Müller Verlag. 1997. 144 p.
8. Самарин О.Д. Использование методики СП 50.13330.2012 для оценки зависимости теплотехнической однородности наружной стены от этажности здания // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2015. № 3. С. 24-26.
9. Самарин О.Д., Сироткин Д.А. Возможности снижения теплозащиты несветопрозрачных наружных ограждений в общественных зданиях // Жилищное строительство. 2014. № 8. С. 16-18.
References
1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical reasons for calculation of reduced thermal resistance of building enclosures. Stroitefnye Materialy [Construction Materials]. 2010. № 12, рр. 4-12. (In Russian).
2. Gagarin V.G., Kozlov V.V. The requirements to the thermal performance and energy efficiency in the project of the actualizationed SNiP «Thermal performance of the buildings». Zhilishchnoye Stroitefstvo [Housing Construction]. 2011. № 8, рр. 2-6. (In Russian).
3. Gagarin V.G., Kozlov V.V. On the requirements to the thermal performance and energy efficiency in the project of the actualizationed SNiP «Thermal performance of the buildings». Vestnik MGSU. 2011. № 7, pp. 59-66. (In Russian).
4. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Account of thermal non-uniformities during estimation of thermal performance of building enclosures in Russia and European countries. Stroiteinye Materialy [Construction Materials]. 2013. № 6, pp. 14-16. (In Russian).
5. Dylewski R., Adamczyk J. Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments. Energy and Buildings. 2012. No. 54, pp. 88-95. (In Russian).
6. Lapinskiene V., Paulauskaite S., Motuziene V. The analysis of the efficiency of passive energy saving measures in office buildings. Papers of the 8th International Conference «Environmental Engineering». Vilnius. 2011, pp. 769-775.
7. Feist W. Das Niedrigenergeihaus. 4.Auflage. Heidelberg: C.F. Müller Verlag. 1997. 144 p.
8. Samarin O.D. Using of the procedure of SP 50.13330.2012 for estimation of the dependence of thermal uniformity of the external wall from the amount of building storeys. Montazhnye I special'nye raboty v stroitel'stve. 2015. № 3, pp. 24-26. (In Russian).
9. Samarin O.D., Sirotkin D.A. The possibilities of decrease of thermal performance of non-transparent enclosures in public buildings. Zhilishchnoye Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. № 8, pp. 16-18. (In Russian).
X ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНГРЕСС
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ
ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА
А С ЭР
L/
ГРУПП
JU,hji
ГI рии^рчальмоч планчрсизни^, ^мирэ&пчнв
и nfMiMcoDuci Tipp uro рчи Вопросы рл-эр-збот^и. согпасосцчннп и реализации градостроительной документации
K^Fl^l Г-ЕМ4114Н-
Градостроитсльнов p-аэантнс и стимулирование строительства. Подготовил и- прсцогт^иленкго эеиепьчык участнов. Вопросы регистрации объектов Vi'CTH. контроле Ч Н^азоро в сф*ре СТрОИТОПЬ&Т ВД
■ I hllJ I ■ Fl
Га^удирстиюлман экспертимл прснЖтной документации и результата!! интрнйрм Ы ■ ИЗнСч^ин И Прииорл* Д0CT(3ILI5|T иоСти (¡прфц^лрн цч
смотнон стонмас-тн. Tosh нчгское регулирование в строительств*
14-16 марта 2016
Отель "Балчуг Компински Москва"
www.grado.asergroup.ru
+7 {495) 988-61-15 i rif о@а se rgroup.ru
