К расчету энергоэффективности индивидуальных малоэтажных зданий и их ограждающих конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

К расчету энергоэффективности индивидуальных малоэтажных зданий и их ограждающих конструкций

и ы

а

а

«

а б

Захаров Аркадий Васильевич

канд. техн. наук, профессор кафедры «Архитектура» НИУ МГСУ

Салтыков Иван Петрович

старший преподаватель на кафедре «Архитектура» НИУ МГСУ

[email protected]

Изменения в нормативных требованиях и последовавшие вслед за этим изменения конструктивных и объёмно-планировочных решений малоэтажных индивидуальных жилых зданий привели к условному разделению существующего жилого малоэтажного фонда на здания из традиционных материалов и конструкций и здания с применением современных технологий в устройстве ограждающих конструкций. Обоснованы два ключевых условия определяющих энергоэффективность дома: эффективность теплозащиты и эффективность теплообеспечения, то есть применение современных утепляющих материалов на основе минеральной ваты и вспененных пластмасс и использование отопительного котельного оборудования с высоким коэффициентом полезного действия.

Приведена авторская методика сравнения энергоэффективных решений «традиционных» и «современных» типов зданий с точки зрения ежегодных затрат на их отопление, показан пример сравнении энергоэффективности двух зданий с конкретными конструктивными параметрами ограждающих конструкций. Представлена простая методика для составления уравнения теплового энергетического баланса и ориентировочный способ расчёта мощности отопительного оборудования. Даны формулы для определения и сравнения влияния отдельных характеристик ограждающих конструкций на общую стоимость расходов на эксплуатацию зданий. Ключевые слова: энергоэффективность зданий, ограждающие конструкции, тепловой баланс здания, комфортное жильё, теплоизоляционные материалы, тариф на газ, затраты на отопление, продолжительность отопительного периода, экономическая эффективность конструкции

Рассматривая вопросы

энергоэффективности зданий, целесообразно обратить внимание прежде всего на малоэтажное строительство, поскольку удельные теплопотери здесь гораздо выше, чем в многоэтажных зданиях, и в целом, по стране, малоэтажные дома составляют не менее половины всего жилого фонда.

Обстановка в области малоэтажного строительства за последнюю четверть века в России радикально изменилась. Бурный рост пригородного малоэтажного строительства стал удовлетворять запросам среднего класса на современное комфортное жилье. Размеры полезной площади здесь приблизились к нормам развитых стран запада и значительно превысили социальные жилищные нормы.

Исходя из этих предпосылок, для проектировщиков, инвесторов и других участников строительно-инвестиционного

комплекса в части малоэтажного строительства, может представляться интересным рассмотреть экономические возможности эксплуатации нового жилья в сравнении с массовым жильем полу-и четвертьвековой давности.

Имеются два ключевых условия, определяющих энергоэффективность дома: эффективность теплозащиты и эффективность теплообеспечения [1, 2, 3].

Для примера, сравним теплоизоляционные качества традиционной избы (отапливаемый объем 6x6x3 м3) с бревенчатыми стенами толщиной 15 см и двухэтажного коттеджа (отапливаемый объем 10 х 10 х 6 м3) с наружными ограждениями, отвечающими современным нормам. Поверхность наружных ограждений избы Эи=2 х 6 х 6 + 4 х 6х 3 = 144 м , их сопротивление теплопередаче, соответствующее старым нормам, Р = 1м2°С/Вт.

Поверхность наружных ограждений коттеджа Эк = 2 х 10 х 10 + 4 х 10 х х6= 440 м2 , их усредненное значение сопротивления теплопередаче, соответствующее современным нормам, Р = 3 м2 оС/Вт.

Приняв одинаковыми температурные условия для избы и коттеджа, можем сравнить их теплопотери через наружные ограждения:

Би/ RM = 144/1 = 440/3 = Sk/ RK.

Таким образом, современный коттедж площадью в 200 м2 может иметь теплопотери через наружные ограждения равные теплопотерям традиционной избы площадью в 36 м2. Это означает, что при указанных значениях сопротивлений теплопередаче, финансовые затраты на отопление таких домов могут быть приблизительно равными. Но для соответствия наружных стен домов современным требованиям по сопротивлению теплопередаче, необходимо, чтобы, будучи выполненными из дерева, они имели толщину не менее 50 см, легкого бетона - 70-100 см, кладки из легкого кирпича - 150 см, а из полнотелого кирпича - не менее 200 см!

Естественно, однослойные стены с такими толщинами в практике реального строительства не применяются [4, 5].

Вместо них используются многослойные стены с включением эффективных теплоизоляционных материалов с

коэффициентом теплопроводности не более 0,05 Вт/(м°С). Такими характеристиками обладают минераловатные материалы и вспененные пластмассы.

Как отмечалось выше, вторым условием энергоэффективности дома является его эффективное теплообеспечение. Так, коэффициент полезного действия (КПД) традиционных дровяных печей редко превышал 30% (КПД каминов составляет не более 10%), а КПД современных газовых котлов обычно составляет не менее 70%. Это позволяет сделать температурный режим помещений стабильным (в отличие от печного отопления) и на том же количестве топлива осуществлять комфортное горячее водоснабжение (ГВС) и приготовление пищи. Таковы наиболее существенные изменения в области строительства и энергообеспечения малоэтажных домов.

Рассмотрим тепловой баланс дома построенного с применением современных наружных ограждающих конструкций и сравним его с балансом этого же дома, но выполненного из старых конструкций. Баланс можно описать следующей формулой:

индекс I - номер конструкции; -^увет.

очередной ограждающей

на подогрев

[Вт] (3)

= w01^ 4- WEeit1,

[Вт]Т(1)

где

■ууОГр. - потери тепла через наружные

ограждающие конструкции;

■^огр. = (te-tK)S|/R| [Вт] (2)

- затраты энергии вентилируемого воздуха,

= п „ м „ Ув „ с^ 1н)

где

п - число людей в доме; N - 80 м3/(часчел) = 0,022 м3/(секчел) -нормативное потребление вентилируемого воздуха;

Yв = 1,3 кг/м3 — удельный вес воздуха; Св - 1 кДж/(кг°С) - удельная теплоемкость воздуха;

Подставив в формулу (3) постоянные значения и округлив, получим:

::: 0.03-11-(Гв-ГЕ) [кВт] (3')

шгвс

= 5 кВт (4) затраты тепла на горячее водоснабжение;

ТД70Ы1.

^ = Б • д, [Вт] (5) - бытовое выделение тепла (излучение человеком, приготовление пищи, электрические и осветительные приборы).

Здесь Б общая площадь полов всех отапливаемых помещений, м .

д = 10 Вт/м2 - нормативное удельное выделение бытового тепла в жилых зданиях без ограничения социальной нормы жилой площади и 17 Вт/м2 - при социальной норме 20 м2 и менее на одного человека;

Wc■p■ — нагрев здания солнечной радиацией, но из-за малого количества солнечных дней в зимнее время во втором климатическом районе вклад в общий баланс невелик и нами учитываться не будет.

Примем к расчету упомянутый выше двухэтажный коттедж. Дополним необходимыми исходными данными: дом без подвала с полом по грунту с теплоизоляционным слоем. Расположен в Московском регионе, где температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки 1н = - 26 °С, температура грунта под полом 1гр. = 5 °С, температура воздуха помещений 1в = 20 °С. Все наружные ограждающие конструкции выполнены в соответствии с гл. СНиП 23-02-2003 (СП 50.13330.2012) «Тепловая защита зданий». "^'г'Имеются две наружные двери общей площадью 4 м2 и окна общей площадью 24 м . В доме проживают 5 человек. Для сравнения приведем результаты расчета теплового баланса того же дома, но с наружными ограждениями старых конструкций, соответствующих отмененной гл. СНиП 11-А.7-71.

О 55 I» £

55 П

п

н

здесь 1в и 1н означают соответственно температуру внутреннего и наружного воздуха,

и ы

а

Расчет теплопотерь через наружные ограждения по формуле (2) представим в следующей таблице 1:

Таблица 1

Расчёт теплопотерь через наружные ограждения

Дом современной постройки Дом старой постройки

Площадь наружных ограждающих конструкций Б;, м2 м2-°С/Вт Рв 4н), °с м Вт, ф.(2) м2-°С/Вт огр. 1 Вт, Ф(2)

Стены, 4-6-10--4-24=212 3,2 20-(-26)=46 3047 1 9752

Чердачное перекрытие, 1010=100 4,2 46 1095 1 4600

Пол по грунту, 1010=100 1,5 20-5=15 1000 1 1500

Окна, 24 0,5 46 2208 0,3 3680

Двери, 4 1 46 184 1 184

3

а б

1

Далее, по формуле (З ) определим тепловую мощность, необходимую для подогрева вентилируемого воздуха:

= 0;03 . Б . (20 - (-26» = 6,9 [кВт]

шгвс

По формуле (4) 44 =5 кВт.

W5ыт.

= 200 ■ 10 = 2000

Вт = 2 кВт.

Подставив все полученные величины в формулу (1), получим тепловую мощность, необходимую для современного дома:

[кВт]

для старого дома:

= 19,72 + £>,9+5-2 = 2 9,62 [кВт];

Как видно, в домах старой постройки тепловой энергии тратиться

больше более чем на 40%. Можно определить, какие при этом будут затраты на эксплуатацию здания в холодный период года для обеспечения комфортного

теплотехнического режима. Полученные ориентировочно суммарные теплопотери пригодны для определения мощности отопительного котла, которая определяется по формуле:

Ч^.-ЕУТ/КПД, [кВт]. (6)

Коэффициент полезного действия современных газовых котлов составляет не менее 80%. Для дома современной постройки необходим котел мощностью 17,44/0,8 = 21,8 кВт, для дома старой постройки необходимая мощность равна 29,62/0,8 = 37,025 кВт. Как

показывает опыт, в Московском регионе в годовом цикле использования котла его средняя потребная мощность составляет половину от максимальной. Тогда

годовая потребность энергии

<д™т, = Щаггп - Т/2

[кДж ] (7)

с - количество секунд в

'ГОД. "К0ТЛ.

где Т = 3,1536 • 107 году.

Для нового дома годовое потребление энергии, рассчитанное по формуле (7), составит

3,437 • 10 кДж, а для старого Годовая потребность газа

^год. ^год./К

где

К = 3,5104 природного газа. Для

[м3],

5,838 • 108 кДж.

(8)

кДж/ м3 - теплота сгорания

отопления 9,82103 м3 газа в год; для

нового дома требуется

33

отопления старого дома - 16,6810 м~ Наконец, зная тариф (стоимость) на газ, можно определить годовые

финансовые затраты на отопление дома. Так, при тарифе 6 руб. за 1м3 газа годовая стоимость отопления нового дома составит 58 920 рублей, а старого 100 080 рублей!

Итак, экономическая эффективность наружных ограждений нового поколения вполне очевидна.

Важным моментом в свете изложенного выше подхода является следующее: в практике проектирования постоянно возникает потребность в определении экономической эффективности той или иной конструкции наружного ограждения. И в качестве экономического показателя может выступать количество топлива (или его стоимость), необходимого для восполнения энергии, ушедшей через 1м2 рассматриваемого ограждения за отопительный период в данном регионе [6, 7, 8, 9].

[м3 газа/ м2пл.огр] или [руб./ м2пл.огр] Для вычисления этого показателя необходимо воспользоваться формулами (2) (6), (7) и (8), где вместо продолжительности года в секундах необходимо взять продолжительность отопительного периода в данном регионе. Так, например, продолжительность отопительного периода в Московском регионе [10] составляет: 214 х 24 х 60 х 60 = 1,85-10' с, а разность температуры внутреннего воздуха и средней за тот же период температуры наружного воздуха составляет 24°С. Подставив эти исходные данные в указанные формулы и произведя соответствующие округления, получим простую формулу для определения показателя тепловой эффективности наружного ограждения в Московском регионе:

Птэфф = 16 • Тариф/Ro, руб./м , (9)

Например, при тарифе на газ 6 руб/м3:

1) для одинарного остекления: Птэфф= 166/0,14 = 685. 7 руб./м2;

2) для обычного двойного остекления (Ro= 0.3) -320.0 руб./м2;

3) для наружной стены при Ro= 3.2, Птэфф= 37,5 руб./м2.

Теперь, при разработке фасада здания, специалист, используя полученные показатели (которые, разумеется, могут быть дополнены показателями других конструкций), может оценить тепловую эффективность проектного решения.

Если дом отапливается не природным газом, а электричеством из внешней сети, показатель тепловой эффективности будет определяться по следующей формуле:

Пэлтэфф =123Тариф эл.^о, [руб./м2], (9')

где тариф устанавливается за 1 кВтчас электроэнергии.

Литература

1. Булгаков С.Н., Бондаренко В.М., Кувшинов Ю.Я., Курзанов A.M., Миловидов Н.Н., Осипов Г.Л., Пичугин А.А., Цейтлин А.И. Теория здания. Том 1. Здание - оболочка. Научное издание. -М.: Издательство АСВ, 2007 - 280 с.

2. Ильинский В.М. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1974. - 320 с.

3. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. - М.: Стройиздат, 1979. - 248 с.

4. Зоколей С.В. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой/ Пер. с англ. М. В. Никольского; Под ред. В. Г. Бердичевского, Б. Ю. Бранден-бурга.-М.: Стройиздат, 1984.

5. Кувшинов Ю.Я. Теоретические основы обеспечения микроклимата помещения / Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007.

6. Борискина И.В., Плотников А. А., Захаров А. В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий- М.: Издательство АСВ, 2003.

7. Безруков А.Ю. Микроклимат жилых помещений./ «Светопрозрачные конструкции» (№3, 2003).

8. Гагарин В.Г., Земцов В.А., Игумнов Н.М. Равноэффективность оконных блоков по параметрам теплозащиты и светопропускания.// Кровельные и изоляционные материалы. - 2011, №4, с. 41-43.

9. П.И. Дячек, С.А. Макаревич, А.Э. Захаре-вич, Д.Г. Ливанский. Математические методы в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха./ /Вестник МГСУ, №7, 2011, с. 143-147.

10. СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».

To the calculation of energy efficiency of individual low-rise buildings and their enclosing structures

Zakharov A.V., Saltykov I.P.

NIU MSSU

Amendments In regulatory requirements and followed after then construction, volume and planning design's changes provided to the individual existing low-rising housing separation into traditional construction and materials buildings and the buildings, made with the contemporary technologies in the filling structures. The two kea conditions of heating building efficiency are sustained. They are: the thermal protective and the thermal supply effectiveness. It means the application contemporary insulating materials on the mineral wool and foamed plastic basing and the usage of heating boiler equipment with the high efficiency factor.

The new author's method of traditional and contemporary building design comparison from the point of view of the annual heating expenditures is shown. The instance of the efficiency comparison between the two buildings with the definite construction parameters is represented. The authors also provides the simple method of getting heating balance equation and the approximate way of the boiling equipment power calculation. The issue contains the formulas for definition and comparison single structure parameters influence on the summary costs on all building exploitation period.

Key words: efficiency of buildings, filler structure, building heating balance, comfortable accommodation, thermal insulating materials, gas tariff, heating costs, the duration of the heating period, construction economic efficiency.

References

1. Bulgakov S.N., Bondarenko V.M., Kuvshinov Yu.Ya., Kurzanov A.M., Milovidov N.N., Osipov G.L., Pichugin A.A., Tseitlin A.I. Theory of the building. Volume 1. The building is a shell. Scientific publication. - Moscow: Publisher ASV, 2007 - 280 p.

2. Ilinskiy V.M. Building Thermophysics. - Moscow: Higher School, 1974. - 320 p.

3. Bogoslovsky V.N. Thermal regime of the building. - Moscow:

Stroiizdat, 1979. - 248 p.

4. Zakoli S.V. Architectural design, operation of objects, their

connection with the environment / Trans. with English. M.V. Nikolsky; Ed. V.G. Berdichevskii, B. Yu. Brandenburg.-M: Stroiizdat, 1984.

5. Yu. Y. Kuvshinov. Theoretical bases of maintenance of a

microclimate of a premise / the Scientific edition. - M .: Publishing house of the Association of Construction Universities, 2007.

6. Boriskina I.V., Plotnikov A,A., Zakharov A.V. Designing of modern window systems of civil buildings- M .: Izdatelstvo ASV, 2003.

7. Bezrukov A.Yu. Microclimate of residential premises / "Translucent constructions" (№ 3, 2003).

8. Gagarin V.G., Zemtsov V.A., Igumnov N.M. Equal efficiency of

window blocks in terms of heat protection and light transmission parameters. / / Roofing and insulation materials. - 2011, No. 4, p. 41-43.

9. P.I. Dyachek, S.A. Makarevich, A.E. Zakharevich, D.G. Livansky. Mathematical methods in heating, ventilation and air conditioning. / / Vestnik MSSU, № 7, 2011, p. 143-147.

10. SanPiN 2.1.2.2645-10 "Sanitary and epidemiological requirements for living conditions in residential buildings and premises".

О R U

£

R

n