СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ И ТЕМПЕРАТУРА НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ Г. МОСКВЫ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 692.82

DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-6-24-29

А.Н. ЗИМИН1, инженер-эксперт (alexander.specialist@yandex.ru), И.В. БОЧКОВ1, инженер-эксперт (bochkoviv@str.mos.ru), С.И. КРЫШОВ1, канд. техн. наук, начальник отдела экспертиз зданий и сооружений на соответствие теплотехническим и акустическим требованиям (skryshov@yandex.ru); Н.П. УМНЯКОВА2, канд. техн. наук, заместитель директора по науке (n.umniakova@mail.ru)

1 Центр экспертиз, исследований и испытаний в строительстве (109052, г. Москва, Рязанский проспект, 13) 2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21)

Сопротивление теплопередаче и температура на внутренних поверхностях светопрозрачных ограждающих конструкций жилых зданий г. Москвы

На основании анализа публикаций приведены данные по вкладу от использования светопрозрачных ограждающих конструкций в общие теплопотери здания. Описаны преимущества и недостатки текущих методов оценки применимости светопрозрачных ограждающих конструкций на основании требований текущих нормативных документов. Приведена методика оценки светопрозрачных конструкций по температуре внутренней поверхности и ее проверка в натурных условиях. Проведены исследования более 300 оконных блоков различных типов, получены теплотехнические характеристики как окон, так и отдельных элементов светопрозрачной, непрозрачной частей и значения температуры в контрольных точках. Показаны основные дефекты монтажа, возможные недостатки конструктива, а также влияние расположения оконной системы относительно отопительных приборов. Приведена статистика различных теплотехнических характеристик окон. Проведена оценка применимости испытанных окон в климатических условиях г. Москвы согласно требованиям СП 50.13330.2012 в сравнении с требованиями одной из предыдущих редакций.

Ключевые слова: светопрозрачная ограждающая конструкция, оконный блок, окно, температура, приведенное сопротивление теплопередаче.

Для цитирования: Зимин А.Н., Бочков И.В., Крышов С.И., Умнякова Н.П. Сопротивление теплопередаче и температура на внутренних поверхностях светопрозрачных ограждающих конструкций жилых зданий г. Москвы // Жилищное строительство. 2019. № 6. С. 24-29. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-6-24-29

A.N. ZIMIN1, Engineer-expert (alexander.specialist@yandex.ru), I.V. BOCHKOV1, Engineer-expert (bochkoviv@str.mos.ru), S.I. KRYSHOV1, Candidate of Sciences (Engineering) Head of department of examinations of buildings and constructions on compliance to heattechnical and acoustic requirements; N.P. UMNIAKOVA2 Candidate of Sciences (Engineering), Deputy Director for Science (n.umniakova@mail.ru)

1 The Centre of Expertise, Research and Testing in Construction (GBU "TsEIIS") (13, Ryazanskiy Avenue, Moscow, Russian Federation)

2 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)

Heat Transfer Resistance and Temperature on Internal Surfaces of Translucent Enclosing Structures

of Residential Buildings of Moscow

Based on the analysis of publications, data on the contribution of the use of translucent enclosing structures in the total heat loss of the building are presented. The advantages and disadvantages of the current methods of assessing the applicability of translucent enclosing structures based on the requirements of current regulation documents are described. The method of estimation of translucent structures by the temperature of the inner surface and its verification in full-scale conditions is given. Studies of more than 300 window blocks of various types were carried out, thermal characteristics both of windows, and separate elements of translucent, opaque parts and values of temperature in control points are obtained. The main defects of installation, possible shortcomings of the structural elements and the influence of the location of the window system relative to heating appliances are shown. The statistics of the different thermal characteristics of windows is presented. The assessment of applicability of the tested windows in climatic conditions of Moscow according to requirements of SP 50.13330.2012 in comparison with requirements of one of the previous editions is carried out.

Keywords: translucent enclosing structure, window block, window, temperature, reduced resistance to heat transfer.

For citation: Zimin A.N., Bochkov I.V., Kryshov S.I., Umniakova N.P. Heat transfer resistance and temperature on internal surfaces of translucent enclosing structures of residential buildings of Moscow. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 6, pp. 24-29. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-6-24-29

Научно-технический и производственный журнал

Светопрозрачные ограждающие конструкции получили широкое распространение и являются неотъемлемой частью жилых домов и общественных зданий, высотных и уникальных зданий. Доля тепло-потерь от их использования по данным различных источников оценивается в широких пределах: 12,5% [1]; 10-15% [2]; 47-67% [3]; 50% [4].

Вопросы использования конструкций в реальных условиях эксплуатации, вклад в баланс здания [5] в нашей стране изучены весьма узко. Режим эксплуатации в летнее время, активно исследуемый зарубежными специалистами [6, 7], в России не нормируется и практически не исследуется [8].

Оценка применимости оконных блоков основана на соответствии требованиям ГОСТ 23166-99, ГОСТ 30674-99, ГОСТ 21519-2003 и СП 50.13330.2012. Оценка соответствия нормам основана на испытаниях в климатической камере согласно ГОСТ 26602.1-99. Такой метод испытаний позволяет корректно измерять сопротивление теплопередаче, поскольку обеспечивает необходимый постоянный перепад внутренней и наружной температуры, моделируя необходимые климатические условия.

Однако в климатических камерах не учитываются факторы реальных условий эксплуатации конструкций:

- проектное расположение и эффективность систем отопления, вентиляции, внутренний объем помещения;

- положение конструкции относительно светового проема;

- конструкция и материалы наружных стен;

- реализация откосов и класс монтажных швов;

- внутренний микроклимат помещений (влажность и т. п.)

- качество монтажа.

В связи с вышеперечисленным распределение температуры на внутренней поверхности и приведенное сопротивление теплопередаче в реальных условиях эксплуатации могут быть иными, отличными от лабораторных испытаний.

Одним из обязательных требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям по п. 5.7 СП 50.13330.2012: «Минимальная температура внутренней поверхности остекления вертикальных све-топрозрачных конструкций, т. е. с углом наклона к горизонту 45о и более (кроме производственных зданий), должна быть не ниже 3оС, для производственных зданий - не ниже 0оС. Минимальная температура внутренней поверхности непрозрачных элементов вертикальных светопрозрачных конструкций не должна быть ниже точки росы внутреннего воздуха помещения при расчетной температуре наружного воздуха 4Щ °С...»

Специалистами ГБУ «ЦЭИИС» за 2015-2018 гг. в Москве исследовано более 300 окон различных типов,

6'2019 ~ 25

м м '■—*

о со

о со

30 -60 мм

•

м м

0 см

1 0 3

Датчики теплового потока и температуры

1

/

Профиль коробки Профиль створки

Стеклопакет

Рис. 1. Схема расстановки датчиков теплового потока и температуры на внутренней поверхности светопрозрачной конструкции

установленных по проекту конкретной реализации в массовом строительстве (жилые дома, в том числе по программе реновации, общественные здания, ДОУ) при действующих системах отопления и вентиляции.

Помимо полученных значений приведенного сопротивления теплопередаче как самих окон, так и их отдельных фрагментов, были определены значения внутренней температуры за период испытаний в контрольных точках.

Перед проведением эксперимента на объекте предварительно проводилась тепловизионная съемка, заранее проверялись:

- наличие замкнутости контура;

- завершенность строительных работ;

- функционирование системы отопления здания (минимум за 10 сут до начала испытаний и в течение всего периода испытаний).

Перепад между температурами внутреннего и наружного воздуха не менее 20оС.

Для минимизации воздействия солнечной радиации испытуемые ограждающие конструкции были ориентированы на север, учитывался только ночной период измерений.

На каждый основной элемент (стеклопакет, профиль створки, профиль коробки и т. п.) устанавливались датчики теплового потока и датчики фиксации температуры (термохроны) (рис. 1).

По данным измерений строились графики изменения температуры, анализировалось воздействие помех, определялись средние значения за период испытаний.

Поскольку реальная зимняя температура, как правило, выше температуры наиболее холодной пятидневки (*н = -25°С согласно СП 131.13330 «Строительная климатология»), температура на внутренней

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

25 20 15 10 5

о

-5 -10 -15 -20 -25

А 1

----------_

------

• - ■

V * — ' _

■ л Л

-/н

Тв &

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

СО Ю СО

Рис. 2. Графики ночной температуры за десятисуточный период наблюдений внутреннего, наружного воздуха, внутри и снаружи на нижнем профиле коробки

20

10

-10

-20

Ю СП СО

иОСПСО!-—-!— иОСПСО!-—-!— Ю

1— -,— 1— 1— 1— -,— 1— с^с^

20

15-!--V-

10 5

СОЮ1-~СП-1— СОЮ1-~СП-1— СОЮ1--СП-1— СОЮ1-~СП-1— СОЮ -I— С^СО-^СОГ-- СОСПОС^СО-^ЮСОСОСПО-'— с^ ^ ю ю -I— -I— -I— -I— -I— -I— -I— -I— с^с^с^с^с^с^

20

иОСПСО!-—-!— ЮСПС01-~ ЮСОСОСП-!— С^СОЮСО -I— -I— -I— -I— с^с^с^с^с^

б

а

0

в

г

0

д

15

10

с^ со со

соспос^со-^юсососпо

2222

СО ю

ю со 22

поверхности в точке измерений определялась по формуле: , ,

_ , (4-Тв)-(4-?н) , „

где ^ - средняя за период измерений температура внутреннего воздуха, оС; Тв - средняя за период ность измерений, оС.

Рис. 3. Гистограммы показателей температуры на различных участках оконных блоков при tв = +20°С, tн = -25°С: а — нижний участок коробки; б — боковой участок коробки; в — нижний участок створки; г — боковой участок створки; д — нижний участок стеклопакета

измерений температура на внутренней поверхности, оС; tyl - средняя за период измерений температура наружного воздуха, оС; 4 - расчетная температура внутреннего воздуха, оС; - расчетная температура наружного воздуха, оС; 8 - погреш-

5

0

Научно-технический и производственный журнал

I I II

п Г~|

CLJ

■ у

оС ■ 40

37

- 34

- 31 28

- 25 22

- 19

- 16

Макс.: 27оС Мин: 2оС Средн.: 21,2оС

252015105

Контур - ломаная 1

Рис. 4. Фотография (а), термограмма (б) и график (в) температуры по контуру оконного блока с избыточной воздухопроницае-

200

400 600

пикс.

800 964 мостъю на боковом и нижнем участке коробки б

оС

■ 35 31,2 27,4 23,6 19,8 16 12,2 8,4 4,6

Рис. 5. Фотография (а) и термограмма (б) оконного блока с близ расположенным отопительным прибором

в

0

Данные, полученные при испытаниях с температурным перепадом, близким к нормативному, показали высокую сходимость результатов с расчетным методом. На графике (рис. 2) показаны данные температуры внутреннего воздуха (¿), температуры на внутренней поверхности конструкции (Тв), температуры на наружной поверхности конструкции (¿) и температуры наружного воздуха (/н), полученные экспериментально при десятисуточных испытаниях в период понижения температуры до -21,4°С для г. Москвы (-25°С).

Минимальная температура на нижнем профиле коробки (ордината А на графике) при температуре наружного воздуха & = -21,4°С, полученная по формуле, составляет тв = 5,5°С и близка по значению к экспериментально измеренной тЁ = 5°С; погрешность 8 = 0,5°С. Более полный анализ расчетного метода -тема другой публикации.

Данные температуры на внутренних поверхностях различных участков оконных блоков из ПВХ профилей при нормативном перепаде (4 = +20°С; ts = -25°С),

62019 ^^^^^^^^^^^^^

полученные по результатам испытаний конструкций, представлены на рис. 3 в виде гистограмм.

Как видно из рис. 3, наиболее низкая температура наблюдается на нижнем профиле коробки окна. Также на нижнем и боковом участках коробки наблюдается наибольший разброс полученных значений (вплоть до отрицательной температуры), что связано с качеством монтажа окон. Причиной образования зон пониженной температуры на внутренней поверхности оконных блоков в основном являлась избыточная инфильтрация воздуха, обусловливаемая некорректной регулировкой фурнитуры (зима/лето, работы по регулировке не проводились и т. п.); некачественным монтажом, плохой герметизацией швов и контуров; недостатками конструктива оконной системы (термодеформацией профильной системы [8, 9], недостатками уплотнительного контура, прижима и т. п.).

Типичный пример избыточной фильтрации воздуха в местах расположения боковых и нижних частей коробки оконного блока представлен на рис. 4.

- 27

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 6. Соотношения количества конструкций по диапазонам полученных значений температуры на нижнем профиле коробки с шагом в 1оС

В некоторых конструкциях окон наблюдалась высокая температура на нижнем профиле коробки, связанная с нагревом нижнего участка окна вблизи расположенного отопительного прибора (рис. 5).

Полученные данные температуры по нижнему профилю коробки были распределены по числу конструкций для каждого диапазона температуры с шагом в 1оС (рис. 6).

В результате произведенной выборки конструкций окон без явных дефектов расчетные данные по средним значениям минимальной температуры на различных участках оконного блока были сведены в таблицу.

Таким образом, температура на нижнем профиле коробки светопрозрачных конструкций в реальных условиях эксплуатации при нормативном перепаде температуры в 45°С (температура снаружи -25°С, температура в помещении +20°С при относительной влажности внутреннего воздуха 55% согласно СП,

температура точка росы 10,2°С) в большинстве случаев оказывается ниже температуры точки росы, что является нарушением требований п. 5.7 СП.

По результатам тепловизионного обследования и визуального осмотра из 270 окон из ПВХ профиля было отобрано 196 полностью завершенного монтажа (без отсутствующих элементов оконной системы и явных нарушений технологии монтажа). График зависимости внутренней минимальной температуры на поверхности коробки от приведенного сопротивления теплопередаче профиля коробки показан на рис. 7. Расчетные условия: температура улицы -25°С; температура помещения +20°С; относительная влажность внутреннего воздуха 55%.

Температура внутренней поверхности непрозрачной части должна быть не ниже точки росы - одно из требований п. 5.7 СП 50.13330.2012 для помещений жилых зданий. Точка росы при температуре внутреннего воздуха +20°С и относительной влажности 55% составляет 10,2°С (обозначена красной сплошной линией на графике). По предшествующей редакции СНиП 11-3-79* (приложение 6, примечание 1), «температура внутренней поверхности конструктивных элементов окон зданий (кроме производственных) должна быть не ниже 3°С при расчетной температуре наружного воздуха» (обозначена коричневой пунктирной линией на графике). Линия линейной аппроксимации (линия тренда) - синяя пунктирная линия на графике.

Средние теплотехнические показатели окон

Материал профиля Средние значения температуры, полученные по данным эксперимента Среднее приведенное сопротивление теплопередаче по результатам испытаний Д„р (м2оС/Вт)

Нижний участок коробки Боковой участок коробки Нижний участок створки Боковой участок створки Нижняя точка стеклопакета

ПВХ (все данные) 3,66 6,85 10,21 12,1 9,07 0,7

ПВХ (выборка окон без явных дефектов) 5,32 8,18 10,55 12,47 9,05

20

15

10

Тмин

» '

СП 50.1330.2012 (СНиП 12-02-2003) (с 2003-..

» ' . • »

«* * и . .. \ " •

- V Т ' • I Г » •]'-'

V ............ _ ,

_ ^ _ , ^ _ А . V»------------

• • ♦ • . II , •

_* * * . *» . I »»_

Линия тренда

СНиП 11-3-79*) (1998-2003)

+10,2

+3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,1 1, Якоробки, (м2.оС)/Вт

Рис. 7. Зависимость минимальной температуры на внутренней поверхности от приведенного сопротивления теплопередаче профиля коробки

5

0

2

28

6'2019

Научно-технический и производственный журнал

Только 5% окон имеют температуру на нижнем профиле коробки не ниже точки росы +10,2°С, что объясняется близостью отопительного прибора.

Из изложенного следует, что требования п. 5.7 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» не выполняются или выполняются в исключительных случаях, связанных с особенностями расположения отопительного прибора в непосредственной близости от окна.

Для обеспечения требований п. 5.7 СП 50.13330.2012 необходимо, чтобы приведенное сопротивление теплопередаче коробки было Якоробки>1,1 м2°С /Вт (пересечение линии тренда и линии точки росы 10,2°С).

Оконные системы с приведенным сопротивлением теплопередаче непрозрачной части около 1 м2°С/Вт и более имеются в каталогах некоторых ведущих оконных производителей, однако их массовое применение затруднительно по причине высокой стоимости.

К тому же в ГОСТ 30674-99 п. 5.3, табл. 2 сказано: «...значение приведенного сопротивления теплопередаче комбинации профилей изделия не должно быть ниже этого показателя для стеклопакетов более чем на 15%». Т. е. стеклопакет должен быть также с высоким сопротивлением теплопередаче -около 1 м2°С/Вт и выше.

В итоге для соответствия всем требованиям п. 5.7 СП 50.13330.2012 окно в г. Москве должно иметь сопротивление теплопередаче более 1 м2°С/Вт. Испытанные окна из ПВХ профиля, используемые в массовом жилищном строительстве г. Москвы, имеют сопротивление теплопередаче профиля коробки около 0,6 м2°С/Вт, среднее приведенное сопротивление теплопередаче окна - 0,7 м2°С/Вт.

Температурный перепад 45°С (температура наружного воздуха -25°С, температура помещения +20°С) далеко не предел в условиях многообразия климатических регионов России, например Сибири, где температура наиболее холодной пятидневки существенно ниже (Новосибирск —37°С, Якутск --52°С). Даже установкой дорогих энергоэффективных оконных систем можно выполнить требования п. 5.7 СП 50.13330.2012 лишь для некоторых климатических регионов России.

Список литературы

1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Перспективы повышения энергетической эффективности жилых зданий в России // Энергия: экономика, техника, экология. 2012. № 5. С. 25-32.

2. Грибова Ю.Н. Снижение тепловых потерь в административном здании // Аллея науки. 2018. Т. 7. № 5 (21). С. 257-260.

3. Спиридонов А.В. Применение энергоэффективных светопрозрачных конструкций в строитель-

62019 ^^^^^^^^^^^^^

стве // Энергия: экономика, техника, экология. 2010. № 4. С. 35-41.

4. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М.: Издательский дом «Спектр», 2009.387 с.

5. Горшков А.С., Ливчак В.И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3 (30). С. 7-37.

6. John Carmody, Stephen Selkowitz, Dariush Arasteh, Liza Heschong. Residential Windows: A Guide to New Technologies and Energy Performance (Third Edition) NewYork. London: W.W. Noton&Company. 2000. 264 p.

7. Oesterle Lieb, Lutz Heusler. Duoble-Skin Fasades. Munich: Prestel Verlag, 2001.

8. Верховский А.А., Зимин А.Н., Потапов С.С. Применимость современных светопрозрачных ограждающих конструкций для климатических регионов России // Жилищное строительство. 2015. № 6. С. 16-19.

9. Миков В.А. «Человеческий фактор» и строительная теплотехника окон // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 411-415.

References

1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. The prospects of increase in power efficiency of residential buildings in Russia. Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. 2012. No. 5, pp. 25-32. (In Russian).

2. Gribova Yu.N. Decrease in thermal losses in the office building. Alleya nauki. 2018. Vol. 7. No. 5 (21), pp. 257-260. (In Russian)

3. Spiridonov A.V. Application of energy efficient translucent designs in construction. Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. 2010. No. 4, pp. 35-41. (In Russian).

4. Vavilov V.P. Infrakrasnaya termografiya I teplovoj kontrol' [An infrared thermography and thermal control]. Moscow: Spektr. 2009. 387 p.

5. Gorshkov A.S., Livchak V.I. History, evolution and development of regulatory requirements to enclosing structures. Stroitel'stvo unikainyh zdanij I sooru-zhenij. 2015. No. 3 (30), pp. 7-37. (In Russian).

6. John Carmody, Stephen Selkowitz, Dariush Arasteh, Liza Heschong. Residential Windows: A Guide to New Technologies and Energy Performance (Third Edition) NewYork. London: W.W. Noton&Company. 2000. 264 p.

7. Oesterle Lieb, Lutz Heusler. Duoble-Skin Fasades. Munich: Prestel Verlag. 2001.

8. Verhovskij A.A., Zimin A.N., Potapov S.S. The applicability of modern translucent walling for the climatic regions of Russia. Zhilishchnoe Stroitel'stvo. [Housing Construction]. 2015. No. 6, pp. 16-19. (In Russian).

9. Mikov V.A. "Human factor" and construction heating engineer of windows. Academia. Arhitektura I stroi-tel'stvo. 2010. No. 3, pp. 411-415. (In Russian).

- 29