Создание оптимальной температурно-влажностной микросреды в жилых зданиях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Энергоэффективное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 628.8

В.Т. ИВАНЧЕНКО, канд. техн. наук, Е.В. БАСОВ, инженер (4263375@mail.ru),

А.А. ТРИШКИНА, инженер

Кубанский государственный технологический университет (350072, Россия, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2)

Создание оптимальной температурно-влажностной микросреды в жилых зданиях

Выполнение конструкции без тепловых мостов ведет к повышенным теплопотерям. Выполнен расчет тепловых полей. На основе приведенных изотерм показаны рекомендуемые теоретические модели узлов основных ограждающих конструкций. Представлен проект энергоэффективного здания необходимой геометрической формы и ориентирования с использованием эффективного утеплителя. Выведена величина отклонения расчетного значения удельного расхода тепла на отопление здания за отопительный период от нормативного.

Ключевые слова: энергосбережение, температурно-влажностная микросреда, жилое здание, тепловые поля, энергоэффективное здание, утеплитель.

V.T. IVANCHENKO, Candidate of Sciences (Engineering), E.V. BASOV, Engineer (4263375@mail.ru), А.А. TRISHKINA, Engineer Kuban State Technological University (2 Moskovskaya Street, 350072, Krasnodar, Russian Federation)

Creation of Optimal Temperature-Humidity Micro-Environment in Residential Buildings

Execution of a structure without thermal bridges leads to increased heat losses. The calculation of thermal fields is done. On the basis of given isotherms, recommended theoretical models of units of basic enveloping structures are shown. The design of an energy-efficient building of required geometric form and orientation with the use of an efficient heat insulator is presented. The value of the deviation of the design value of specific heat consumption for heating the building during the heating period from the normative one is derived.

Keywords: energy saving, temperature-humidity micro-environment, residential building, temperature fields, energy efficient building, heat insulator.

При проектировании жилых зданий мощность системы отопления помещений составляет 150-240 кВтч/м2 в год. Необходимо же, чтобы данная величина была уменьшена до 15 кВтч/м2 в год [1, 2], что позволит снизить не только мощность системы отопления, но и потребление энергии всего здания, будь то подогрев горячей воды или использование энергии для бытовых нужд жильцов. Необходимо соблюсти тепловой баланс здания, уменьшить теплопотери и увеличить теплопоступления [3-7].

В проекте энергоэффективного здания предусмотрены методы сокращения теплопотерь: улучшенная теплоизоляция наружных ограждающих конструкций; уменьшение тепловых мостов; создание герметичной оболочки здания; использование специальных окон; рекуперация тепла из вытяжного воздуха.

Важное и основополагающее влияние на низкое потребление тепловой энергии на отопление имеет высокая теплоизоляция наружных ограждающих конструкций. Необходимо избегать сложных форм наружной оболочки здания; по возможности создавать буферную (защитную) зону с северной стороны для сохранения тепла; проектировать компактное здание.

Разработан ряд конструктивных решений, которые ликвидируют тепловые мосты.

Тепловой мост - участок наружной ограждающей конструкции с низким термическим сопротивлением, пронизывающий часть оболочки с утеплителем. Проектирование без тепловых мостов позволяет значительно снизить тепловые потери. Примером служит перекрытие подвала, конструкция которого часто используется при строительстве (рис. 1).

Рис. 1. Термограмма конструкции перекрытия подвала. Приве- Рис. 2. Термограмма конструкции перекрытия подвала с утепли-

денное сопротивление теплопредаче 1,298м2.оС/Вт

телем. Приведенное сопротивление теплопредаче 3,54м2.оС/Вт

24

8'2015

Научно-технический и производственный журнал

Energy efficient construction

Кирпич лицевой - 120 мм Минеральная вата - 400 мм Кирпич обыкновенный - 250 мм

Рис. 3. Теоретическая модель горизонтального разреза наружной стены

Выполнение конструкции без утеплителя ведет не только к снижению приведенного сопротивления теплопередаче, но и к образованию конденсата на внутренней поверхности ограждающей конструкции. Расчетным методом выведена температура появления плесени при относительной влажности 55% и температуре внутреннего воздуха 20°С [5]. При анализе тепловых полей на рис. 1 обнаружен участок в месте примыкания наружной стены к плите перекрытия, где возможно образование грибка [6].

В рассматриваемом случае при достижении температуры 13,87°С начнется рост грибка на поверхности:

где Ps,Ecke - давление насыщенного пара при температуре внутреннего воздуха 20°С, Па; Ps,Raum - давление насыщенного пара при температуре на внутренней поверхности конструкции 13,87°С, Па. Таким образом:

1 «о« от

Ф=0,8 2340 -Ю0%=54,21%.

Формула для приблизительного расчета точки росы в градусах Цельсия [5]:\

Тр = Ь /(Т, Rh) / (а — /(Т, Щ),

где/(Т, Rh) = а Т / (Ь + Т) + 1п (Ш /100); Тр - температура точки росы, °С; а = 17,27; Ь = 237,7; Т - комнатная температура, °С; Rh - относительная влажность, %.

Точка росы для тех же значений температуры и влажности:

Т = 20°С; Rh = 55%.

Вычислим функцию/(Т, Rh): /(Т, Rh) = а Т / (Ь + Т) + 1п (Ш /100); /(Т, Щ = 0,74216.

Рис. 4. Теоретическая модель вертикального разреза наружной стены, граничащей с фундаментом (участки 5 и 4 — внутренняя поверхность здания; грань 1 — нижняя часть фундамента)

Затем - температуру точки росы:

Тр = Ь/(Т, Rh)/(а — /(Т, Rh)); Тр = 10,674°С.

В энергоэффективном здании подобной температуры не выявлено. В аналогичной по местонахождению точке на рис. 2 температура 18,6°С, что исключает образование конденсата при равных условиях.

Наружные оболочки здания должны быть воздухонепроницаемыми. Существует мнение, что достаточный воздухообмен можно обеспечить через неплотности стены, оконных проемов. Но такой вид воздухообмена трудно контролировать. Следует выполнять герметичные конструкции, для поддержания оптимальной кратности воздухообмена необходима приточно-вытяжная вентиляция. Материал стен -кирпичная кладка с внутренней штукатуркой, выполненной без разрывов. Для обеспечения 30 м3 свежего воздуха в час на одного человека необходимо устраивать вентиляционные отверстия достаточного размера, чтобы воздухообмен был возможен без помех даже при закрытых внутренних межкомнатных дверях. Система рекуперации позволит вернуть до 75% тепла обратно в помещение, но воздух будет свежим, и концентрация углекислого газа снизится до 0,1%.

На рис. 1 и 2 представлены тепловые поля узлов без тепловых мостов. Изображения разработаны при помощи программного обеспечения, позволяющего сформировать теоретическую модель двумерного теплового поля на основе метода конечных элементов. Показаны изотермы, оС: -15,1; -11,2; -7,3; -3,4; +0,5; +4,4; +8,3; +12,2; +16,1.

Заданы следующие параметры модели (рис. 3): температура внутреннего воздуха +20оС прикладывается к участкам 2 и 3; к участкам 6 и 5 прикладывается величина -19оС. Грани 1 и 4 имеют численно одинаковый тепловой поток -

Кирпич лицевой - 120 мм Минеральная вата - 400 мм Кирпич обыкновенный - 250 мм

Рис. 5. Модель монтажа окна, произведенная в толще теплоизоляции (приведенное сопротивление теплопередаче 3,783м2-оС/Вт)

Кирпич лицевой - 120 мм Минеральная вата - 400 мм Кирпич обыкновенный - 250 мм

Рис. 6. Стандартная схема установки окна в проем ( приведенное сопротивление теплопередаче 3,012м2-°С/Вт)

Энергоэффективное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

■>ч

з5 ! 1

1 Вт/м2. Коэффициент теплоотдачи а характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Коэффициент а показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности стенки к жидкости в единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 градус. Для внутренней поверхности 8,7 Вт/(м2.°С); для наружной - 23 Вт/(м2.оС).

Просчитывается влияние температуры на конструкцию при заданных параметрах. Тепловой поток движется от более нагретого участка к более холодному. Слой минеральной ваты толщиной 400 мм становится серьезным барьером для стремящегося наружу теплового потока. Минимальная температура на внутренней поверхности +18,8оС наблюдается в углу между участками 2 и 3. Во-первых, это гарантирует отсутствие конденсата на участке при относительной влажности воздуха 55% и температуре внутреннего воздуха 20°С; во-вторых, подобная температура создаст комфортное проживание людей в таком здании, не будет ощущения «холодной стены». В качестве внутреннего слоя не случайно выбрана кирпичная кладка, которая имеет высокую тепловую инерцию. Чем больше промежуток времени, в течение которого происходит снижение температуры теплового потока при его прохождении с наружной поверхности материала на внутреннюю поверхность, тем дольше происходит нагревание или остывание воздуха в помещении. Подобная схема поможет сохранить постоянную температуру внутри как можно дольше.

Аналогично с моделью на рис. 2 утеплитель (пеностекло [8]) создает конструкцию без тепловых мостов (рис. 4). Минимальная температура в углу между гранями 4 и 5 составляет 17,8оС.

На рис. 5 приведена модель монтажа окна, произведенная в толще теплоизоляции, что исключает появление конденсата на поверхности рамы изнутри. Применялся двухкамерный стеклопакет с теплоотражающим (селективным) покрытием и шестикамерный пластиковый профиль рамы. Энергоэффективное стекло производится вакуумным напылением и представляет трехслойную структуру из чередующихся слоев серебра диэлектрика (ВЮ, А^, ТЮ2 и т. п.). Низкоэмиссионное стекло в отопительный период «возвра-

Рис. 7. План и фасад энергоэффективного здания

щает» в помещение до 90% тепловых волн, выделенных нагревательными приборами. А летом отражает тепловую, инфракрасную (ИК) часть солнечного излучения. В результате зимой в комнате становится теплее, а летом — прохладнее.

На рис. 6 показана стандартная схема установки окна в проеме. Рама крепится поверх кирпичной кладки, образуя тепловой мост.

Сопротивление теплопередаче окна - 1,2 м2оС/Вт. Укладка паронепроницаемого слоя изнутри рамы окна не даст намокнуть утеплителю. Использование рольставен -необходимое условие защиты от солнечных лучей летом. Аналогично окнам рольставни устанавливаются в тело эффективного утеплителя.

Авторами разработан проект (рис. 7) энергоэффективного жилого здания отапливаемой площадью 125 м2, где предусмотрена высокая теплоизоляция наружных ограждающих конструкций, окна большего размера ориентированы на юг. Система навесов защищает окна от лучей в солнечный летний день, в холодный же период года достаточное количество солнечной энергии проникает в жилое помещение. С северной стороны здания невозможно полностью отказаться от оконных проемов из-за недостаточности света.

Состав наружных ограждающих конструкций: внутренний слой - кирпич керамический полнотелый (плотность 1800 кг/м3; Х=0,7 Вт/(м-°С)) - 250 мм; плиты мине-раловатные из каменного волокна (плотность 60 кг/м3; Х=0,041 Вт/(м-°С)) - 400 мм; кирпич лицевой (плотность 1600 кг/м3; Х=0,58 Вт/(м-°С)) - 120 мм.

Состав конструкции покрытия: пароизоляция обмазочная; бетонная стяжка - 60 мм (плотность 1800 кг/м3; Х=1,92 Вт/(м-°С)); плиты минераловатные из каменного волокна - 450 мм (плотность 60 кг/м3; Х=0,041 Вт/(м-°С)); железобетонная плита - 200 мм (плотность 2500 кг/м3; Х=1,92 Вт/(м-°С)).

Состав конструкции пола: бетонная стяжка - 60 мм (плотность 1800 кг/м3; Х=1,92 Вт/(м-°С)); экструдиро-ванный пенополистирол - 300 мм (плотность 30 кг/м3; Х=0,031 Вт/ (м-°С)); цементно-песчаная стяжка - 30 мм (плотность 1800 кг/м3; Х=0,58 Вт/(м-°С)); железобетонная плита - 140 мм (плотность 2500 кг/м3; X =1,92 Вт/(м-°С)).

Величина отклонения расчетного значения удельного расхода тепла на отопление здания за отопительный период кДж/(м3традусо-сут.)) от нормативного (с^4®, кДж/(м3традусо-сут.)) составляет 78,926%, следовательно, в соответствии с классификацией зданию присваивается класс энергетической эффективности А - очень высокий.

26

82015

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Energy efficient construction

Список литературы

1. Шеина С.Г., Миненко А.Н. Анализ и расчет «мостиков холода» с целью повышения энергетической эффективности жилых зданий // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4-1(22). С. 131.

2. Боронбаев Э.К. Энергосберегающая архитектура и тепловые мосты в ограждениях здания // Вестник КГУСТА. 2013. № 4(42). С.130-136.

3. Бородин А.И., Чапанов З.Б. Учет влияния влажности среды при расчете термического сопротивления ограждающей конструкции // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 7. С.40-43.

4. Егорова Т.С., Черкас В.Е. Повышение энергоэффективности зданий благодаря устранению критических мостиков холода и непрерывной изоляции выступающих строительных конструкций // Вестник МГСУ. 2011. № 3-1. С. 421-428.

5. Луговой А.Н. Повышение энергоэффективности ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 32-33.

6. Опарина Л.А. Определение понятия «энергоэффективное здание» // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 2-4.

7. Чертищев В.В., Чертищев В.В. Расчет полей температур и тепловых потоков в неподвижной среде методом конечных элементов // Известия Алтайского государственного университета. 2011. № 1-2. С.176-180.

8. Сапачева Л.В., Горегляд С.Ю. Пеностекло для экологичного строительства в России // Строительные материалы. 2015. № 1. С. 30-31.

References

1. Sheina S.G., Minenko A.N. The analysis and calculation of «cold bridges» for the purpose of increase of power efficiency of residential buildings. Inzhenernyi vestnik Dona. 2012. No. 4-1(22), pp. 131. (In Russian).

2. Boronbaev E.K. Energy saving architecture and thermal bridges in building protections. Vestnik KGUSTA. 2013. No. 4 (42), pp.130-136. (In Russian).

3. Borodin A.I., Chapanov Z.B. Taking note of humidity of the environment at calculation of thermal resistance to the protecting design. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. 2009. No. 7, pp. 40-43. (In Russian).

4. Egorova T.S., Cherkas V.E. Increase of energy efficiency of buildings thanks to elimination of critical bridges of cold and continuous isolation of the acting construction designs. Vestnik MGSU. 2011. No. 3-1, pp. 421-428. (In Russian).

5. Lugovoj A.N. Increase of energy efficiency of the protecting designs. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2011. No. 3, pp. 32-33. (In Russian).

6. Oparina L.A. Definition of the concept «Power Effective Building». Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010. No. 8, pp. 2-4. (In Russian).

7. Chertishhev V.V., Chertishhev V.V. Calculation of fields of temperatures and thermal streams in the motionless environment by method of final elements. Izvestija Altajskogo gosudarstvennogo universiteta. 2011. No. 1-2, pp .176-180. (In Russian).

8. Sapacheva L.V., Goreglyad S. Yu. Foam Glass for Eco-Friendly Construction in Russia. Stroitelnye Materialy [Construction materials]. 2015. No. 1, pp. 30-31. (In Russian).

Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ)

Кафедра архитектуры гражданских и промышленных зданий и сооружений

Проектирование и строительство энергоэффективных автономных жилых зданий

Оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений проектируемых зданий Определение уровней электромагнитных излучений радиотехнических объектов, расчет, построение и оптимизация санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки

Теоретическое и экспериментальное изучение физико-химических процессов, определяющих механизм разрушения бетона под влиянием агрессивных сред, выявление причин разрушения бетона строительных конструкций предприятий химического и сельскохозяйственного направления

Экспертиза проектов зданий и территорий застройки, оценка их акустических качеств, звукоизоляции ограж-

Заведующий кафедрой Иванченко Владимир Тихонович,

кандидат технических наук, профессор

дающих конструкций, технических решений по защите от шума и звуковых вибраций с разработкой рекомендаций по их улучшению

Комплексные мероприятия по защите от шума и акустическому благоустройству помещений зданий при их проектировании, реконструкции и эксплуатации Санитарно-защитные зоны по фактору шума промышленных и энергетических предприятий, зоны ограниченной застройки в окрестностях аэропортов Шумовые карты улично-дорожной сети и районов застройки

Мероприятия по обеспечению продолжительности инсоляции и солнцезащиты помещений и территорий застройки

Исследование и применение принципов возведения экологически полноценного и комфортабельного жилища

350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, корп. Б, ауд. 407 Телефон / факс: (861) 255-20-88. E-mail: vladimir.ivanchenko.1945@mail.ru