Относительное энергосбережение при изменении уровня тепловой защиты зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 697.133

Д.В. КРАЙНОВ, канд. техн. наук (dmitriy.kraynov@gmail.com)

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Относительное энергосбережение при изменении уровня тепловой защиты зданий

При проектировании тепловой защиты зданий стоит задача выбора величин приведенного сопротивления теплопередаче фрагментов теплозащитной оболочки (стен, окон и т. д.) таким образом, чтобы удовлетворить сразу трем требованиям: поэлементному, комплексному и санитарно-гигиеническому. Основными целями проектирования наряду с прочностью и долговечностью являются: минимизация затрат на возведение ограждающих конструкций и потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий за отопительный период. Расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период зависит от градусо-суток. Для 458 городов России проанализировано распределение градусо-суток отопительного периода (ГСОП) и их связь с требуемым сопротивлением теплопередаче ограждений. Определены постоянная и зависящая от ГСОП составляющие удельных теплопотерь. Введено понятие относительного энергосбережения при изменении уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Найдена взаимосвязь относительного энергосбережения и относительного изменения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Ключевые слова: теплопотери, сопротивление теплопередаче, нормирование, градусо-сутки отопительного периода.

D.V. KRAYNOV, Candidate of Sciences (Engineering) (dmitriy.kraynov@gmail.com) Kazan State University ofArchitecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)

Relative Energy Saving When Changing the Level of Thermal Protection of Buildings

In the course of designing the thermal protection of buildings the problem of selecting the values of reduced resistance to heat transfer of fragments of heat protection of the envelope (walls, windows, etc.) which meet all the three requirements - element-by-element, complex, and sanitary-hygienic - arises. Main tasks of designing, along with the strength and durability, are minimization of expenditures for construction of enveloping structures and losses of thermal energy through enveloping structures of buildings during the heating period. The expenditure of thermal energy for heating of building during the heating period depends on the degree day. The distribution of degree days of the heating period (DDHP) and their connection with the required resistance of enclosures to heat transfer has been analyzed for 458 cities of Russia. The constant component and the component depending on DDHP of specific heat losses have been determined. The concept of the relative energy saving, when changing the level of thermal protection of enveloping structures of buildings, is introduced. The interconnection of the relative energy saving and the relative change in the reduced resistance of enclosing structures to heat transfer has been found.

Keywords: heat losses, resistance to heat transfer, normalization, degree day of heating period.

При проектировании энергоэффективных зданий перед проектировщиком стоит задача разработки или выбора из уже имеющихся таких архитектурных и технических решений, которые с минимальными капиталозатратами позволят достичь поставленных показателей [1-4]. Например, необходимо создать здание с заданным классом энергосбережения. Для этого придется оперировать удельной характеристикой расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, qот, которая, в свою очередь, зависит среди прочих от удельной теплозащитной характеристики здания, коб [5]. В расчет последней входят коэффициент компактности Ккомп и общий коэффициент теплопередачи здания Кобщ, зависящий от приведенного сопротивления теплопередаче каждого фрагмента теплозащитной оболочки здания .КоР. Отдельный фрагмент, например стена, состоит из конечного набора конструктивных элементов. Следовательно, влиять на класс энергосбережения здания возможно на различных уровнях. Рассмотреть все факторы влияния в рамках данной статьи не представляется возможным, поэтому остановимся на зависимости изменения теплопотерь через ограждающие конструкции здания при изменении уровня тепловой защиты.

Анализ требований к тепловой защите зданий

Рассмотрим изменение нормативных значений приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен жилых зданий. Для сравнения будем использовать данные стандартов, действующих в России в разное время [5-10].

Согласно поэлементным требованиям [5] к теплозащитной оболочке здания, должно выполняться следующее условие:

ДПР>ДН°РМ, (1)

где ЛЛР, ,й"орм - соответственно приведенное и нормируемое сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций, м2-°С/Вт.

Нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции следует принимать по формуле:

R?=a-TCOIl + b,

(2) (3)

где В.^ - базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, м2 оС/Вт; щ - коэффициент, учитывающий особенности региона строи-

Научно-технический и производственный журнал

Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"

§

0

1000

сопротивлением теплопередаче Ь). Коэффициент Ь, м2оС/Вт, равен требуемому сопротивлению теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки в регионе, где отсутствует отопительный период (ГСОП = 0°Ссут/г.).

Также в определенных случаях допускается использование формулы, которая до 1995 г. являлась основной при нормировании сопротивления теплопередаче ограждений:

норм

AiH-aB

(5)

0--:-:-:-;->-:-

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Градусо-сутки отопительного периода, оСсут/г

Рис. 1. Зависимость требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен жилых зданий от градусо-суток отопительного периода: 1 и 2 — Я™^ по (5) при Ы*=6°С иЫ"=4°Ссоответственно; 3 и 4 - Я? по (3) при а=0,0002; Ь=0,8и а=0,00035; Ь=1,4 соот-ветственно

3000 5000 7000 9000 11000 13000 Градусо-сутки отопительного периода, "Ссут/г

Рис. 2. Распределение градусо-суток отопительного периода для городов России [10]

тельства; а, Ь - коэффициенты для соответствующих групп зданий. В рамках данной статьи будут рассмотрены коэффициенты а и Ь для наружных стен жилых зданий; ГСОП - гра-дусо-сутки отопительного периода за год, °Ссут/г.:

ГСОП = (*.-*„)■*„, (4)

где ¿в - расчетная температура внутреннего воздуха здания, °С; <от, 2т - средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут/г., отопительного периода.

Согласно [5], Там же указаны минимальные значения данного коэффициента для отдельных ограждающих конструкций, однако не дана методика его определения с привязкой к региону строительства.

Коэффициент а в (3), м2-г./(Вт-сут), или м2-г./(кВт-ч), является величиной обратной теплопотерям за отопительный период через 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки с

где и - то же, что и в формуле (4); - средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 [10]; Д£н - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С; ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2-°С).

С помощью (3) и (5) рассчитаны градусо-сутки отопительного периода и требуемое сопротивление теплопередаче стен для 458 городов России [10]. При этом в (5) использованы Д7Н=6°С [6] и Д*Н=4°С [7, 8, 5]. Следует отметить, что уменьшение Д£н в 1,5 раза привело к увеличению требуемого сопротивления теплопередаче также в 1,5 раза. Полученные два множества точек нанесены на график (рис. 1).

По расчетным точкам построены линии регрессии с коэффициентами детерминации Я = 0,773 (линии 1 и 2), для которых найдены уравнения вида (3). Коэффициенты а и Ь в (3) по требованиям 1995 и 2000 г. рассчитаны по таблице 1а и таблице 1б [8]; для 2003 г. взяты из табл. 4 [9]; для 2012 г. - из табл. 3 [5]. По указанным коэффициентам построены линии 3 и 4 (рис. 1). Результаты представлены в таблице.

Из данных таблицы видно, что коэффициенты а и Ь для второго этапа (СНиП 11-3-79*) получены путем увеличения этих коэффициентов для первого этапа на 75%. Позднее а и Ь не изменялись.

Далее рассмотрим распределение градусо-суток отопительного периода, рассчитанных для 458 городов России по данным [10] (рис. 2).

Видно, что за исключением семи выбранных городов ГСОП распределяются в диапазоне 2000-12000°Ссут/г. Большая часть городов (77%) имеет ГСОП из интервала 4000-9000°Ссут/г. Большинство населения России (72%) проживает в регионах с ГСОП = 4000-6000°Ссут/г. [11]. Продолжительность отопительного периода на этой территории составляет 180-240 сут, т. е. более полугода, а температура отопительного периода - от 0 до -10°С, что значительно превосходит аналогичные климатические параметры большинства стран Центральной и Западной Европы. Стоит отметить, что в бывшем СССР большинство населения (свыше 60%) проживало в климатической зоне с ГСОП = 3000-4000°Ссут/г. [11].

Величина градусо-суток отопительного периода является определяющей при поэлементном нормировании тепловой защиты и определении расхода энергии на отопление здания.

Значения коэффициентов а и b в формуле (3) в различных нормативных документах

6

5

4

3

2

СНиП II-B.3-54 СНиП II-3-79 СНиП II-3-79* СНиП 23-02-2003 СП 50.13330.2012

С 1954 по 1979 г. С 1979 г. по настоящее время С 01.09.1995 г. 1-й этап С 01.01.2000 г. 2-й этап С 2003 по 2012 г. С 2012 г. по настоящее время

a 0,000082 0,000124 0,0002 0,00035 0,00035 0,00035

b 0,493 0,738 0,8 1,4 1,4 1,4

Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

250

■ äs 200

150

100

50

140

2000 4000 6000 8000 10000 Градусо-сутки отопительного периода, "С-сут/г

12000

Рис. 3. Зависимость удельных теплопотерь за отопительный период через оболочку здания от ГСОП при а=0,00035 и Ь=1,4

Расчет нормативных теплопотерь через наружные стены здания

Теплопотери за отопительный период через фрагмент теплозащитной оболочки здания площадью 1 м2 определяются по формуле, кВт-ч/(м2-г.):

Q =

0,024 ГСОП

iJnp.

(6)

где ГСОП - то же, что в (3); R^ - приведенное сопротивление теплопередаче i-го фрагмента теплозащитной оболочки здания, м2-°С/Вт.

Подставив (3) в (6) вместо Я^-, получим выражение для расчета удельных теплопотерь при требуемом сопротивлении теплопередаче ограждения:

&> =

0,024 ГСОП а ■ ГСОП + Ъ '

1

Qa =

0,024

Qb =

Qa-Qb Qa + Qb

0,024 ГСОП

Qa + Qb

(7)

(8)

Величина Qa, кВт ч/(м2 г.), характеризует постоянную часть удельных теплопотерь, не зависящую от региона строительства. Величина Qb, кВт ч/(м2 г.), линейно возрастает в зависимости от ГСОП и характеризует удельные теплопотери за отопительный период через ограждение площадью 1 м2 с сопротивлением теплопередаче, равном b. Зависимость Qa, Qb и g15 от ГСОП показана на рис. 3.

Равные величины Qa = Qb = 68,6 кВтч/м2г. (a = 0,00035 и b = 1,4) достигаются при ГС0П=4000°Ссут/г. При этом Q^ = 34,3 кВт ч/м2 г. Qa является асимптотой для Qтр. Зависимость удельных теплопотерь через теплозащитную оболочку здания за отопительный период от ГСОП для различных a и b представлена на рис. 4.

Выразив ГСОП из (3), используя (2) и подставив в (6), получим:

_0,024.(iÇ-fr)_ 0,024 (

а-К? -т„ а-тЛ Л? '

(9)

Используя формулы (6) и (9), определенные ранее диапазоны ГСОП, а также значения коэффициентов а и Ь (см. таблицу), найдем границы нормативных теплопотерь через наружные стены жилых зданий (рис. 5). Линия 1 по-

2000 4000 6000 8000 10000 12000 Градусо-сутки отопительного периода, "С-сут/г

Рис. 4. Зависимость удельных теплопотерь через теплозащитную оболочку здания за отопительный период от ГСОП: 1 - а=0,00035, Ь=1,4; 2 - а=0,0002, Ь=0,8; 3 - а=0,000124; Ь=0,738

казывает нормативные удельные теплопотери при нормировании по (2) при тр = 1; линия 2 - при /Ир = 0,63; линия 3 - при нормировании по (5).

Из рис. 5 видно, что при нормировании сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции с использованием (5) (линия 3) теплопотери за отопительный период через 1 м2 стены здания, расположенного в регионе с ГСОП = 12000°С-сут/г., будут равны 129 кВт-ч/(м2-г.), а с ГСОП = 2000°Ссут/г. - 49 кВт-ч/(м2-г.). Различие удельных теплопотерь составляет 2,6 раза, или 80 кВтч/(м2г.), в то время как ГСОП - 6 раз. При использовании формулы (2) и /Пр = 1 (линия 1) удельные теплопотери через стены составят 51 кВт-ч/(м2-г.) и 23 кВт-ч/(м2-г.) соответственно, т. е. различие равно уже 2,2 раза или 28 кВтч/(м2г.). При тр = 0,63 получим линию 2. Для большинства городов России (в диапазоне ГСОП = 4000-9000°Ссут/г.) нормативные удельные теплопотери через оболочку здания будут располагаться внутри заштрихованной области.

Стоит отметить, что изменение коэффициентов а и Ь по-разному влияет на удельные теплопотери (рис. 6):

д*=я-(1+с);

6*=6-(1+с).

200

(10)

160

"SIS 140

СО CJ

SLg

120

ф'5 100

80

60

40

20

1 2 3 4 5 6 7 Сопротивление теплопередаче ограждения, м2-°С/Вт

Рис.

5. Зависимость удельных теплопотерь через теплозащитную оболочку здания от приведенного сопротивления теплопередаче. Сплошные линии построены по (6), пунктирные линии — по (9): 1 - а=0,00035, b=1,4, mp=1; 2 - а=0,00035, b=1,4, mp=0,63; 3- а=0,000124, b=0,738, mp=1

3

Q

b

2

Q

a

Q

тр

0

0

8

Научно-технический и производственный журнал

Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"

500 450 400

ё Щ 350

0

CO С^

300

Ш о.

х ш | | 250

Ц I 200

1 i! 150

_0 О

| 8 100 ф

.5

54 50

0

-1 0 1 2 3 4 5

Величина изменения коэффициентов а и Ь, доли ед.

Рис. 6. Влияние изменения коэффициентов а и Ь на удельные теплопотери: 1 — Qь при ГСОП=2000°Осут/г.; 2 — Qь при ГСОП=4000°Осут/г. и Оа; 3 — ОЬ при ГС0П=12000°Ссут/г.

0

5

-1 0 1 2 3 4

Относительное изменение сопротивления теплопередаче, доли ед.

Рис. 7. Зависимость относительного изменения теплопотерь от относительного изменения сопротивления теплопередаче ограждения

1

0,8

0,6

0,4

0,2

S3 -0,2

-0,4

-0,6

-0,8

0

1

8

2 3 4 5 6 7 Исходное сопротивление теплопередаче, И1, м2-°С/Вт

Рис. 8. Зависимость относительного изменения теплопотерь от исходного сопротивления теплопередаче ограждения и ДЯ

Нормативные коэффициенты а и Ь можно найти, выразив их из (8) и задаваясь необходимым уровнем требуемых удельных теплопотерь.

Методика расчета относительного энергосбережения

При проектировании тепловой защиты зданий стоит задача выбора величин приведенного сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций (стен, окон и т. д.), Я^-, удовлетворяющих условию (1). При этом необходимо иметь возможность управления изменением теплопотерь через ограждающие конструкции (в большую или меньшую сторону) путем изменения сопротивления теплопередаче отдельных элементов теплозащитной оболочки здания. Предположим, что изменение сопротивления теплопередаче ограждения на величину ДЯ с Я1 до Я2 приводит к изменению теплопотерь через это ограждение на величину ДО:

AR=R2-Rl;

A0=G2-6i-

(11)

При увеличении Я1 ДЯ>0 и Д(<0, при уменьшении -ДЯ<0 и Д(>0. Введем величины относительного изменения сопротивления теплопередаче и теплопотерь:

а

(12) (13)

Это позволит анализировать любые значения Я. Подставив (11) и (6) в (13) и используя (12), получим:

Я2 1 + ДЯ

ДЯ = —

AQ_

i+де'

(14)

(15)

Из (14) и (15) видно, что Д0 и ДЯ имеют одинаковые зависимости друг от друга (рис. 7). Важно, что ГСОП не влияют на величину Д£. Следовательно, в разных климатических регионах при одних и тех же Я1 и ДЯ получим разные О1 и ДО, но одинаковые Д£.

Из формулы (14) и рис. 7 видно, что заметное снижение относительных теплопотерь наблюдается для значений М от 0 до 1,5. При дальнейшем увеличении сопротивления теплопередаче (да ^го) Д0^-1. Другими словами, снизить теплопотери через ограждающие конструкции на 100% невозможно. Так, например, увеличение Я1 конструкции в пять раз или на 400% (да =4) приводит к уменьшению О1 тоже в пять раз, но всего лишь на 80% (Д£}=-0,8). Незначительное же уменьшение сопротивления теплопередаче ограждения приводит к незначительному увеличению теплопотерь. Поэтому оперировать относительными величинами изменения как сопротивления теплопередаче ограждения, так и теплопотерь в практических целях более удобно.

Практический интерес может представлять следующая задача. Известно начальное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Я1. Необходимо найти такое значение ДЯ, с помощью которого получится добиться заданного изменения теплопотерь. Для этого из (14) выразим ДЯ. Получим:

1+де

(16)

или

Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

Например, необходимо снизить теплопотери через наружную стену на 40% (Дб = -0,4). Имеется стена с Rj=1,5 м2 оС/Вт. Для удовлетворения условию потребуется увеличить сопротивление теплопередаче стены на ДК=1 м2оС/Вт (рис. 8). Однако если R=3 м2оС/Вт, то потребуется уже ДR=2 м2 оС/Вт. И в том и в другом случае сопротивление теплопередаче придется увеличить на 67%.

Также возможно использование (16) и рис. 8 в случаях, когда необходимо узнать, насколько изменятся теплопоте-ри при изменении сопротивления теплопередаче ограждения с заданного R1 на ДR.

Величины да и д<д связаны с коэффициентом тир из (2) следующим образом:

тр =1 +да ;

1 + Д Q

или

AR =rnp-l;

Äß = ——1. mP

(17)

(18)

(19)

(20)

Например, mp = 0,63 снижает требуемое сопротивление теплопередаче наружной стены на 37% и увеличивает удельные теплопотери на 58,7%. Задаваясь же известными значениями да или Д£, возможно рассчитать коэффициент /Ир.

В практических целях использование относительных величин изменения как сопротивления теплопередаче ограждения, так и теплопотерь позволяет проще решать задачи достижения требуемых показателей энергосбережения. Коэффициент тр может быть одинаков для всей территории страны, так как градусо-сутки отопительного периода не влияют на величину AQ. Если на региональном уровне устанавливаются показатели энергосбережения отличные от федеральных, то коэффициент щ может быть рассчитан с использованием описанной выше методики. Выбор SQ во всех случаях следует осуществлять с учетом структуры распределения теплопотерь через различные фрагменты теплозащитной оболочки здания и особенностей региона.

Список литературы

1. Гагарин В. Г. Экономический анализ повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 41-47.

2. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О нормировании теплозащиты и требованиях расхода энергии на отопление и вентиляцию в проекте актуализированной редакции СНиП «Тепловая защита зданий» // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31-2 (50). С. 468-474.

3. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Об оценке энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий // Инженерные системы. АВОК - Северо-Запад. 2014. № 2. С. 26-29.

4. Цыганков В.М. Энергоэффективность и энергосбережение при капитальном ремонте зданий // Энергосовет. 2016. № 1 (43). С. 12-16.

5. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. М.: Минрегион России, 2012. 95 с.

6. СНиП 11-В.3-54. Строительные нормы и правила. Часть II. Нормы строительного проектирования. М.: Госиздат, 1954. 402 с.

7. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника. М.: Госстрой СССР, 1979. 33 с.

8. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: ЦИТП Госстроя России, 1998. 32 с.

9. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: ЦИТП Госстроя России, 2003. 70 с.

10. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. М.: Минрегион России, 2012. 116 с.

11. Гашо Е.Г. Особенности развития и проблемы повышения эффективности систем энергообеспечения городов // Новости теплоснабжения. 2007. № 11. С. 27-32.

References

1. Gagarin V.G. Economic analysis of improving the thermal performance of the buildings of building envelopes. Stroitefnye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 8, pp. 41-47. (In Russian).

2. Gagarin V.G., Kozlov V.V. About standardizing thermal performance and energy consumption for heating and ventilation requirements in the draft version of the actualized edition SNiP «Thermal performance of the buildings». Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitefnogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. № 31-2 (50). pp. 468-474. (In Russian).

3. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. An estimate of the energy efficiency of energy-saving measures. Inzhenernye sistemy. AVOK- Severo-Zapad. 2014. No. 2, pp. 26-29. (In Russian).

4. Tsygankov V.M. Energy efficiency and energy savings during overhaul of buildings. Energosovet. 2016. No. 1 (43), pp. 12-16. (In Russian).

5. SP 50.13330.2012. Teplovaya zashchita zdanii. Aktualizi-rovannaya redaktsiya SNiP 23-02-2003 [Thermal performance of the buildings. Actualized edition of SNiP 23-02-2003]. Moscow: Minregion Rossii. 2012. 95 p. (In Russian).

6. SNiP II-V.3-54. Stroitel'nye normy i pravila. Chast' II. Normy stroitel'nogo proektirovaniya [Building regulations. Part II. The norms of building design]. Moscow: Gosizdat. 1954. 402 p. (In Russian).

7. SNiP II-3-79. Stroitel'naya teplotekhnika [Building heat engineering]. Moscow: Gosstroi SSSR. 1979. 33 p. (In Russian).

8. SNiP II-3-79*. Stroitel'naya teplotekhnika [Building heat engineering]. Moscow: TsITP Gosstroya Rossii. 1998. 32 p. (In Russian).

9. SNiP 23-02-2003. Teplovaya zashchita zdanii [Thermal performance of the buildings]. Moscow: TsITP Gosstroya Rossii. 2003. 70 p. (In Russian).

10. SP 131.13330.2012. Stroitel'naya klimatologiya. Aktualiziro-vannaya redaktsiya SNiP 23-01-99* [Building climatology. Actualized edition of SNiP 23-01-99*]. Moscow: Minregion Rossii. 2012. 116 p. (In Russian).

11. Gasho E.G. Features of development and problems of increasing the efficiency of energy-supply systems of cities. Novosti teplosnabzheniya. 2007. No. 11, pp. 27-32. (In Russian).