CC BY
22Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
УДК 697.133
Е.В. КОРКИНА12, канд. техн. наук (Elena.v.korkina@gmail.com)
1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21) 2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Критерий эффективности замены стеклопакетов в здании с целью энергосбережения
Применение энергосберегающего остекления в зданиях способствует снижению трансмиссионных теплопотерь и, следовательно, экономии энергии на отопление, но при этом следует учитывать, что такое остекление снижает поступление теплоты в здание от солнечной радиации. Для определения целесообразности замены остекления в здании на энергосберегающее необходим комплексный показатель для оценки эффективности его применения. В данной работе представлена критериальная оценка, основанная на расчете теплопоступлений и теплопотерь для всего здания через заполнения светопроемов, введены понятия радиационно-температурного коэффициента климата и коэффициента передачи теплоты от облучения солнечной радиацией через оконный блок. Проведен расчет на примере здания, условно расположенного в трех городах с разным климатом, сделано заключение о допустимости использования энергосберегающего остекления, кроме одного варианта.
Ключевые слова: теплопотери, энергосберегающее остекление, низкоэмиссионное покрытие, теплопоступления, солнечная радиация, критерий, энергосбережение.
Для цитирования: Коркина Е.В. Критерий эффективности замены стеклопакетов в здании с целью энергосбережения // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 6-9.
E.V. KORKINA1, 2 Candidate of Sciences (Engineering) (Elena.v.korkina@gmail.com) 1 Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation) 2 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Criterion of Efficiency of Glass Units Replacing in the Building with the Purpose of Energy Saving
The use of energy-saving glazing in buildings contributes to the reduction in transmission heat losses and, consequently, energy savings for heating, but it should be taken into account that such glazing reduces the heat input to the building from solar radiation. To determine the feasibility of replacing the glazing in the building with energy-saving glazing, a comprehensive indicator is needed to assess the effectiveness of its application. This paper presents a criterion assessment based on the calculation of heat gain and heat losses for the whole building through filling light openings, introduces the concept of radiation-temperature coefficient of climate and heat transfer coefficient from solar radiation through the window unit. The calculation is made on the example of the building, conditionally located in three cities with different climates, a conclusion about the acceptable use of energy-efficient glazing, except for one option, is drawn.
Keywords: energy-saving glazing, low-emission coating, heat gains, solar radiation, criterion, energy saving.
For citation: Korkina E.V. Criterion of efficiency of glass units replacing in the building with the purpose of energy saving. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 6-9. (In Russian).
Наибольшие трансмиссионные теплопотери в здании происходят через заполнения оконных проемов. С целью снижения теплопотерь в зданиях устанавливаются стеклопакеты со стеклами, имеющими энергосберегающие покрытия [1, 2], при этом снижаются и теплопоступления от солнечной радиации в течение отопительного периода [3]. Вместе с тем использование энергии солнечного излучения для экономии энергии, потребляемой зданием, является важным аспектом изучения современной строительной науки [3-5]. В связи с этим предлагаются различные модели расчета поступления солнечной радиации на поверхность фасадов различно ориентированных зданий [6, 7]. В работе [3] рассмотрен подход, основанный на сравнении теплопотерь и теплопоступлений через 1 м2 площади окна при замене стеклопакета на энергосберегающий. Однако при рассмотрении мероприятий по повышению экономии потребляемой энергии в зданиях
важно проводить комплексную оценку обеспечения энергосбережения выбранными оконными блоками и определить наиболее подходящие для конкретного здания и климата. Разработке такого подхода посвящена настоящая работа.
Предлагаемая методика основана на расчете теплопо-терь и теплопоступлений через заполнения светопроемов здания, не затененного другими зданиями. В расчетах используются следующие характеристики остекления: g - коэффициент общего пропускания солнечной радиации, или солнечный фактор, отн. ед., принимается по данным производителей остекления; и - коэффициент теплопередачи оконного блока, Вт/(м2оС), рассчитывается согласно [8]; т2 - коэффициент, учитывающий затенение светового проема непрозрачными элементами заполнения, отн. ед., рассчитывается согласно [9]; А - площадь оконного блока по наружному обмеру, м2.
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
Характеристики климата: - солнечная радиация, поступающая на у-тый фасад в течение /-того месяца отопительного периода, МДж/(год-м2); ГСОП - градусо-сутки отопительного периода, °С-сут/год
Расчет суммарной радиации за отопительный период для фасада, ориентированного по направлению у, МДЖ/(год м2), проводится суммированием прямой »У^, рассеянной Д?65 и отраженной радиации на вертикальную поверхность за отопительный период [6]. Эти составляющие радиации, в свою очередь, рассчитываются через одноименные составляющие, поступающие на горизонтальную поверхность Х>[ор, Я^"9 по формуле:
J вер вер=^(S^+D^+R вер) =
1=1
г>гор ,
/=1
1(¿"Г*гву, +ЛГ72+/Г Akt/200)
(1)
1=1
¡7=Б7+1Г=л3у17+■ 17. (2)
где ¡—о1 /11 - доля прямой радиации от общей ради' • г» ГОР / Г гор ации для /-того месяца, отн. ед.; - доля рассеянной радиации от общей радиации для /-того месяца, отн. ед.
Тогда расчетную формулу (1) для солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность, можно представить в виде:
/=1
т
=1'7-,^+^/2 +Ак, /200). (3)
/=1
0бп лЭП ^ лбп лЭП тр ^тр ^рад ^рад>
(4)
и (2™ - величина теплопоступлений и трансмиссионных теплопотерь через окна при установке стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями (индекс «эп»), МДж/год соответственно.
Расчет теплопоступлений через окна для всего здания проводится по формуле [3]:
СЭП=Х[С1*ГП-^ЧЛ], (5)
7=1 /1=1
где J- количество фасадов в здании, шт.; Щ - количество окон на j-м фасаде, шт.
Расчет теплопотерь через окна для всего здания проводится по формуле [8]:
где: т - число месяцев отопительного периода; К^ - коэффициент пересчета для у-той ориентации и /-того месяца, принимается по СП 23-101-2004*; Ж,- - альбедо подстилающей поверхности для /-того месяца. Значения »У™р, Х>™р, /™р, Ж,- принимаются по [10].
В расчете по формуле (1) участвует интенсивность общей солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, 7[ор, которая складывается из интенсивности прямой и рассеянной радиации и представляется в виде, который можно преобразовать как сумму долей прямой и рассеянной радиации от общей, умноженных на общую радиацию:
Вывод критерия эффективности замены стеклопакетов в здании
Для оценки целесообразности замены стеклопакетов в здании с целью энергосбережения разница в теплопотерях должна превышать разницу в теплопоступлениях за отопительный период, так как стеклопакеты со стеклами с покрытиями должны обеспечивать повышенную теплозащиту, но минимально снижать поступление солнечной радиации:
е£'эп=0,0864.ГСОП.ХХж
у=1 /1=1 Rj„
Тогда неравенство (4) записывается в виде:
0,0864 гсоп-х
(6)
] п=
Kjn jn
(7)
] /1=1
Далее для упрощения математических выкладок делается допущение, что здание имеет одинаковые по размеру и конфигурации заполнения светопроемов и одинаковое их количество на каждом фасаде, тогда:
U=Ujn, g=gji, x2 = i2fl .
(8)
Суммарная площадь остекления одного фасада и всего
здания вычисляется, соответственно, м2:
J Nj
А^ =
ф,- £4«, Ао X Х4« .
я=1 М п=1
(9)
С учетом (8) и (9) условие (7) можно записать в виде: 0,0864 • ГСОП А0 • ф-^)>(/п-/п)-Ь-Афр7. (10)
После преобразований с учетом (9) и с учетом того, что сопротивление теплопередаче является величиной, обратной коэффициенту теплопередачи Ц5п,ш = 1/Кбпэп:
Ът
(^■-^»С^-^одо-геоп./. (11)
Для дальнейшего вывода вводятся обозначения:
1. -^мес,; - радиационно-температурный коэффициент климата за месяц, МДжгод/(оСсутм2). Этот коэффициент отражает отношение поступления теплоты от радиации на горизонтальную поверхность за месяц к 1оС перепада температуры и к единице времени в течение отопительного периода. Рассчитывается по формуле:
L . =
Г
мес,1 ГСОП
(12)
где и - величина теплопоступлений от солнечной радиации и трансмиссионных теплопотерь через окна при установке стеклопакетов со стеклами без низкоэмиссионных покрытий (индекс «бп»), МДж/год соответственно; С?рад
2. - радиационно-температурный коэффициенту-го фасада за отопительный период, МДж/(оСсутм2). Этот коэффициент отражает поступление теплоты от радиации на фасад к 1оС перепада температуры и к единице времени в
* СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. Москва. 2004. 144 с.
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
течение отопительного периода. С учетом (3) рассчитывается по формуле:
1 т
¿ф,,=Х^мес,, • (Щ-Ктвл+^/2 +Ак,/200). (13)
3. М - коэффициент передачи теплоты от проникающей солнечной радиации через оконный блок в здание при заданной разности температуры в течение отопительного периода (сокращенно - коэффициент передачи теплоты от радиации через оконный блок), МДж/(оСсутм2). Рассчитывается по формуле:
8*2 1
Таблица 1
Характеристики стеклопакетов, используемые для расчетов
M =
■Ihj.
(14)
Физический смысл данной характеристики состоит в том, что она равна приходу энергии солнечной радиации за отопительный период, отнесенной к среднему перепаду температуры за отопительный период, деленной на продолжительность отопительного периода.
После подстановки введенных обозначений (12)-(14) условие (11) эффективности замены стеклопакетов для энергосбережения тепловой энергии для всего здания имеет вид:
vбп_ иэ
мбп- мэ
>1 .
Левая часть неравенства обозначается:
U6n- иэп
м°= M
Мэ
(15)
(16)
и критерий эффективности применения энергосберегающего остекления (15) принимает вид:
М0> 1 .
(17)
Можно видеть, что левая часть неравенства (15) и величина Ма безразмерная:
Вт / МДж _ /МДж _
[U]/[M] =
м2- °С/ м2- °Ссут "ВТ/ сут
№ Формула стеклопакета Характеристика стекол g, отн. ед Uo, Вт/(м2 оС)
1 4M1-16Ar-4M1-16Ar-4M1 Без покрытий 0,68 1,7
2 4И-16Аг-4М1-16Аг-4И Низкоэмиссионные 0,63 0,7
3 4СИ-16АГ-4М1 Низкоэмиссионные, солнцезащитные 0,45 1
Таблица 2
Результаты расчетов эффективности применения энергосберегающего остекления
Значения Стекло-пакет № 1, индекс «бп» Стеклопакет № 2 Стеклопакет № 3 индекс «эп» Разница Mo
U, Вт/(м2.оС) 1,56 0,9 0,66 -
1,1 0,46
М, МДж/ССсутм2), Москва 0,96 0,89 0,07 9,4
0,63 0,33 1,4
М, МДж/(оС.сут.м2), Краснодар 1,18 1,09 0,09 7,3
0,78 0,4 1,2
М, МДж/(оС.сут.м2), Благовещенск 1,46 1,36 0,1 6,6
0,97 0,49 0,9
=86400 Вт - с/МДж = 0,0864.
Физический смысл данного критерия следующий: при замене стеклопакетов на энергосберегающие в здании уменьшение оттока теплоты через оконные блоки должно быть больше уменьшения притока теплоты от солнечной радиации через оконные блоки. Или: разность потока теплоты наружу через все оконные блоки здания должна быть больше разности потока теплоты от радиации через все оконные блоки здания при применении стекол без и с энергосберегающими покрытиями, т. е. сокращение теплопотерь должно быть больше сокращения теплопоступлений.
Данный критерий можно использовать при оценке целесообразности замены стеклопакетов в здании на энергосберегающие. Чем больше значение критерия, тем больше вариант остекления способствует энергосбережению для конкретного здания, расположенного в заданном климате.
Пример расчета
Для проведения расчетов рассматривается односекци-онное здание, предположительно находящееся в Москве ГСОП=4551оСсут/год, в Краснодаре ГСОП=2537оСсут/год и в Благовещенске ГСОП=6447оСсут/год, при условии отопления жилого дома со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной и ниже 8оС. Фасады здания ори-
ентированы по четырем основным румбам. Оконные блоки имеют одинаковые теплотехнические характеристики и конфигурацию, их количество на каждом фасаде 100 шт. Характеристики стеклопакетов со стеклами без покрытий и с энергосберегающими покрытиями приведены в табл. 1. Значение коэффициентов, учитывающих затенение светового проема непрозрачными элементами заполнения, составляет т2=0,62 отн. ед., площадь окна составляет А=2 м2. По результатам расчета согласно методике [8] значение приведенного сопротивления теплопередаче оконного блока составило ^прив=0,64 и 1,1 м2-°С/Вт соответственно при установке стеклопакетов без покрытий и с покрытиями; сопротивление теплопередаче переплетов, по данным производителя, принято равным 0,78 м2-оС/Вт.
Оценка эффективности замены стеклопакетов с целью энергосбережения для всего здания проводится с использованием неравенства (15). Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Как видно из данных табл. 2, значение критерия М0 больше единицы для варианта стеклопакета № 2 (с низкоэмиссионными стеклами), применяемого в рассмотренном здании, для всех трех городов, что означает выполнение условия эффективности применения такого остекления с целью энергосбережения. При этом наиболее выгодно применение стеклопакета № 2 в здании, расположенном в Москве.
Значение критерия М0 близко к единице для здания с остеклением стеклопакетом № 3 (с низкоэмиссионными и солнцезащитными стеклами), которое предположительно расположено в Москве и Краснодаре, тем не менее применение данного остекления считается эффективным с целью энергосбережения. Для здания, расположенного в Благовещенске, значение критерия меньше единицы, следовательно, применение стеклопакета № 3 не способствует экономии энергии в данном случае.
Таким образом, выведен критерий эффективности применения стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями для всего здания, расположенного в конкрет-
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
ном климате. В критерии учитываются теплопоступления от солнечной радиации и трансмиссионные теплопотери через заполнения светопроемов. Расчет критерия на примере здания, предположительно находящихся в трех городах, показал выгоду замены стеклопакетов на энергосберегающие, кроме одного варианта остекления.
Представленный критерий можно применять на этапе подбора стеклопакетов, имеющих энергосберегающие характеристики, для конкретного здания и климата.
Список литературы
1. Куприянов В.Н., Седова Ф.Р. Обоснование и развитие энергетического метода расчета инсоляции жилых помещений // Жилищное строительство. 2015. № 5. С. 83-87.
2. Стецкий С.В., Кузнецова П.И. Светотехнические, солнцезащитные и информативные качества окон нетрадиционной формы в гражданских зданиях стран с жарким солнечным климатом // Научное обозрение. 2017. № 10. С. 20-25.
3. Гагарин В.Г., Коркина Е.В., Шмаров И.А. Теплопоступления и теплопотери через стеклопакеты с повышенными теплозащитными свойствами // Academia. Архитектура и строительство. 2017. № 2. С. 106-110.
4. Krigger J., Waggoner T. Passive Solar Design for the Home. Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse. D0E/G0-102001-1105.
5. O'Brien W., Kesik T., Athienitis A. The use of solar design days in a passive solar house conceptual design tool. 3rd Canadian Solar Buildings Conference Fredericton. N.B. 2008. August 20-22. Pp. 164-171.
6. Коркина Е.В., Горбаренко Е.В., Гагарин В.Г., Шма-ров И.А. Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий // Жилищное строительство. 2017. № 6. С. 27-33.
7. Ivanova S.M. Estimation of background diffuse irradiance on orthogonal surfaces under partially obstructed anisotropic sky. Part 1 - Vertical surfaces // Solar Energy. 2013. Pp. 376-391.
8. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Неклюдов А.Ю. Учет теплопроводных включений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // БСТ. 2016. № 2 (978). С. 57-61.
9. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Расчетно-эксперименталь-ный метод определения общего коэффициента пропускания света оконными блоками // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. C. 472-476.
10. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 1-34. СПб.: Ги-дрометеоиздат, 1989-1998.
References
1. Kupriyanov V.N., Sedova F.R. Justification and development of a power method of calculation of insolation of premisesю Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 5, pp. 83-87. (In Russian).
2. Stetskiy S.V., Kuznetsova P.I. Lighting, sun-protection and informative qualities of windows of a nonconventional form in civil buildings of the countries with hot solar climate. Nauchnoe obozrenie. 2017. No. 10, pp. 20-25. (In Russian).
3. Gagarin V.G., Korkina E.V., Shmarov I.A. Heat gain and heat loss through glazing with high thermal properties. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2017. No. 2, pp. 106-110. (In Russian).
4. Krigger J., Waggoner T. Passive Solar Design for the Home. Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse. D0E/G0-102001-1105.
5. O'Brien W., Kesik T., Athienitis A. The use of solar design days in a passive solar house conceptual design tool. 3rd Canadian Solar Buildings Conference Fredericton. N.B. 2008. August 20-22, pp. 164-171.
6. Korkina E.V., Gorbarenko E.V., Gagarin V.G., Shmarov I.A. Basic Ratios for Calculation of Irradiation of Solar Radiation of Walls of Detached Buildings. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 6, pp. 27-33. (In Russian).
7. Ivanova S.M. Estimation of background diffuse irradiance on orthogonal surfaces under partially obstructed anisotropic sky. Part 1 - Vertical surfaces. Solar Energy. 2013, pp. 376391.
8. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Neklyudov A.Yu. Accounting of heat-conducting inclusions when determining thermal load of the system of heating of the building. BST. 2016. No. 2 (978), pp. 57-61. (In Russian).
9. Zemtsov V.A., Gagarina E.V. Сalculation-experimental method determination of the general coefficient light transmission window blocks. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2010. No. 3, pp. 472-476. (In Russian).
10. Nauchno-prikladnoi spravochnik po klimatu SSSR. Seriya 3. Mnogoletnie dannye. [The scientific and application-oriented reference manual on climate of the USSR. Series 3. Long-term data.] Part 1-6. Iss. 1-34. Sankt-Petersburg: Gidrometeoizdat. 1989-1998. (In Russian).
_НОВОСТИ
Утверждены правила проектирования автономных источников теплоснабжения
В документе прописаны требования к объемно-планировочным и конструктивным решениям интеграции автономных источников теплоснабжения, к их основному и вспомогательному оборудованию, к водно-химическому режиму работы, топливоснабжению, трубопроводам и арматуре.
Кроме того, установлены требования к системам подачи воздуха на горение и удаление продуктов сгорания, электроснабжению и электрооборудованию, энергетической эффективности, к обеспечению надежности и ремонтопригодности оборудования автономных источников теплоснабжения, а также дополнительные требования к строительству в особых природных условиях.
Требования документа распространяются на проектирование автономных источников теплоснабжения, предназначенных для теплоснабжения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения жилых многоквартирных зданий высотой до 75 м включительно, общественных зданий
и сооружений высотой до 55 м включительно, производственных зданий, сооружений промышленных предприятий и технологического теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий.
Требования не распространяются на проектирование автономных источников теплоснабжения с электродными котлами, котлами-утилизаторами, котлами с высокотемпературными органическими теплоносителями, другими специализированными видами котлов для технологических целей, блочномодульных котельных и теплогенераторных установок мощностью до 360 МВт.
Свод правил разработан авторским коллективом ООО «СанТехПроект», прошел экспертизу подведомственного Минстрою России ФАУ ФЦС и Технического комитета по стандартизации ТК 465 «Строительство».
По материалам Минстроя РФ
