CC BY
61УДК 699.86
В.Г. ГАГАРИН, д-р техн. наук, член-кор. РААСН, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва); К.А. ДМИТРИЕВ, студент, Московский государственный строительный университет
Учет теплотехнических неоднородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах
Сопротивление теплопередаче характеризует теплозащиту отдельных ограждающих конструкций зданий и является нормируемым показателем. На основании нормируемых значений этой величины часто делаются выводы об уровне энергосбережения зданий и проводятся сравнения этого уровня в России и других странах. С нормируемыми значениями сопротивлений теплопередаче сравниваются расчетные значения.
В актуализированной редакции СНиП 23-02 «Тепловая защита зданий» [1] использована методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, разработанная в НИИСФ [2] и гармонизированная с европейским стандартом [3, 4]. Последнее обстоятельство позволяет сопоставлять расчетные значения сопротивлений теплопередаче. В настоящей статье приводятся сведения о возможности таких сопоставлений.
Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции рассчитывается по формуле (приводится с незначительным упрощением) [1]:
кр= ^ 1 ^—, (1)
где и — коэффициент теплопередачи по глади конструкции, Вт/(м2оС); "фу — удельные потери теплоты через линейную неоднородность у-го вида, Вт/(м.оС); у — протяженность линейной неоднородности у-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции, м/м2; Хк — удельные потери теплоты через точечную неоднородность к-го вида, Вт/оС; пк — количество точечных неоднородностей к-го вида, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции, шт./м2.
Величина и рассчитывается по известной формуле:
U=
1
1
Щ
уел
1
Ш-
1
(2)
где Щ0" — условное сопротивление теплопередаче по глади конструкции, м2оС/Вт; остальные условные обозначения в этой формуле хорошо известны и для краткости изложения опускаются.
Дополнительные потери теплоты через теплотехнические неоднородности ограждающей конструкции выражаются формулой:
Д^Х'/Ру+Хвд*. (3)
В [1] приведена методика (в обязательном приложении Е) определения величин ф и х при помощи расчетов двухмерных или трехмерных температурных полей на ЭВМ. Данная методика аналогична методикам расчета [3—4]. После определения этих величин расчет приведенного сопротивления по формуле (1) не представляет сложностей. Для упрощения расчетов величин ф и X в НИИСФ разработано пособие, содержащее их значения для типовых узлов ограждающих конструкций, которое готовится к публикации.
В России при поэлементном нормировании приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции должно быть больше или равно нормируемому значению [1]:
Щ'>Щорм. (4)
Нормируемое сопротивление теплопередаче назначается равным произведению R£pmp, где принимается в зависимости от климатических условий района строительства по рассчитываемому значению градусо-суток отопительного периода (ГСОП) по широко известной табл. 3 [1]; mp назначается в зависимости от выполнения требований по удельному потреблению энергии зданием, но не может быть меньше 0,63 для стен, 0,95 для светопрозрачных конструкций, 0,8 для остальных конструкций. Так, например, для жилых зданий в Москве ^=3,13 м2-°С/Вт; минимальное значение Щ°рм составляет Д5ю'гш=3,13^0,63=1,97 м2оС/Вт. Это требование действует с 2003 г. В СНиП 23-02—2003 содержатся и другие требования к теплозащите здания [5], но данное требование к сопротивлению теплопередаче является минимально допустимым.
Из европейских стран наиболее развита и представлена в документах система нормирования в Германии. В табл. 3 второй части DIN 4108 [6] дается таблица минимально допустимых значений сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций (см. таблицу).
В п. 5.2.4 данного документа [6] изложены требования к конструкциям с тепловыми мостиками: «Сопротивление теплопередаче рассчитывается в соответствии с DIN EN ISO 10211-1 и EN ISO 10211-2...» Это означает, что рассматриваемые требования относятся к приведенному сопротивлению теплопередаче. В указанных стандартах [3—4] приведены методы расчета влияния теплопроводных включений на потери тепловой энергии через теплотехнические неоднородности конструкций. Эти методы соответствуют методу расчета приведенного сопротивления теплопередаче, представленному в приложении Е [1]. Однако понятия «приведенное сопротивление теплопередаче» в Германии нет.
Из данных в таблице можно видеть, что нормируемые в Германии минимальные значения сопротивлений теплопередаче существенно меньше, чем соответствующие минимальные значения в России.
Требования к основной теплозащитной характеристике ограждающих конструкций — сопротивлению теплопередаче существуют во всех европейских странах, а наличие европейских стандартов [3, 4] свидетельствует о возможности учета тепловых мостиков, или мостиков холода, или, правильнее, теплотехнических неоднородностей. Каков действительный учет влияния теплотехнических неоднородностей на теплозащитные свойства ограждающих конструкций при проектировании зданий в различных странах?
Россия. Положение следует признать не вполне удовлетворительным. Значения приведенного сопро-
научно-технический и производственный журнал Q'fprjyTj'iJJbrlbJ^ TS июнь 2013
Минимальные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций (по данным DIN 4108 [6])
Конструкции Сопротивление теплопередаче R, м2.К/Вт
Наружные стены, стены помещений цокольного этажа, переходы, открытые коридоры, гаражи 1,2
Межкомнатные и межквартирные перегородки 0,07
Стены лестничных клеток для лестничных клеток с существенно более низкой температурой внутреннего воздуха (например, лестничные клетки с косвенным отоплением), с температурой внутреннего воздуха <10оС, но, по крайней мере, с положительной температурой 0,25
для лестничных клеток с внутренней температурой >10оС (например, офисных зданий, коммерческих зданий, учебных зданий, гостиниц, ресторанов и жилых зданий) 0,07
Межквартирные перекрытия; перекрытия между различающимися рабочими помещениями; перекрытия под помещениями мансарды Общие 0,35
В офисных зданиях с центральным отоплением 0,17
Основание под помещением без подвала Общие 0,9
В офисных зданиях с центральным отоплением
Перекрытие под непостроенной мансардой; перекрытие под вентилируемым пространством между скатами крыши и обратной поверхностью стены при построенной утепленной мансарде
Перекрытия над подвалами, перекрытия над неотапливаемыми коридорами и т. п.
Перекрытия, а также кровли, которые отграничивают помещения от наружного воздуха Вниз (от помещения) над отапливаемыми гаражами, проездами, в том числе запертыми, и вентилируемыми пролазамиа) 1,75
Вверх, например, крыши по DIN 18530, крыши террас и перекрытия под террасами; инверсные крыши по 5.3.3 1,2
a) Увеличенное сопротивление теплопередаче для предотвращения охлаждения ног.
тивления теплопередаче редко рассчитываются правильно при проектировании зданий и подготовке раздела «Энергоэффективность» [2]. Причин тому несколько, и они указаны в [2].
Во-первых, отсутствие в предыдущих нормативных документах четкого определения понятия приведенного сопротивления теплопередаче.
Во-вторых, нечеткое изложение методик расчета приведенного сопротивления теплопередаче в действовавшем СП [7] и других нормативных документах.
В-третьих, неправильное восприятие табл. 6 в [7], содержащей значения «минимально допустимых значений коэффициента теплотехнической однородности, г, для конструкций индустриального изготовления». Эта таблица содержит неоправданно высокие значения г, как правило, недостижимые на практике. Вместо своего прямого назначения, ограничения конструкций по однородности приведенные в этой таблице значения воспринимаются в качестве ориентировочных значений г для соответствующих или похожих конструкций. В результате принимаются завышенные значения г, что приводит к проектированию ограждающих конструкций с недостаточными теплозащитными свойствами.
Введение в действие актуализированной редакции СНиП 23-02 [1] с четкой методикой расчета приведенного сопротивления теплопередаче позволит улучшить ситуацию.
В Европе также имеются препятствия для полноценного учета влияния теплотехнических неоднородностей в практике проектирования ограждающих конструкций. Состояние этого вопроса хорошо описано в [8]. Ниже приводятся некоторые сведения из этого обзора для стран Северной и Центральной Европы.
Дания. Нормы учитывают влияние тепловых мостиков как в новом строительстве, так и при реконструкции зданий. В обоих случаях используется упрощенный подход.
Простые конструктивные решения тепловых мостиков, как правило, оцениваются ручным вычислением. Сложные тепловые мостики должны оцениваться по-
средством подробного численного анализа, однако значения для всех типичных решений сведены в таблицы, содержащиеся в стандартах, атласах или брошюрах. Составление таких таблиц обеспечивается производителями строительных материалов.
Имеются определенные требования для значений U и, кроме того, имеются некоторые требования максимальных значений ф для трех видов узлов конструкций, в частности 0,03 Вт/(м-К) для оконных откосов и 0,15 Вт/(м-К) для примыкания стен к фундаментам. Сведений о требованиях к другим тепловым мостикам в датских нормах не содержится.
Для новых зданий должно быть выполнено требование к потреблению энергии и, кроме того, наложены требования к максимальным значениям ф для тех же тепловых мостиков: значение ф может быть не более 0,06 Вт/(м-К) для оконных откосов и не более 0,4 Вт/(м-К) для примыкания стен к фундаментам.
Реализация в проекте требований к тепловым мостикам контролируется органами государственной власти и проверяется энергетическим консультантом.
Норвегия. В нормах разделяются тепловые мостики, которые влияют незначительно, и мостики, которые должны быть приняты во внимание по сравнению со значениями ^ например края бетонного пола, идущего частично через изолированную стену; последние тепловые мостики должны быть оценены отдельно.
Оба вида тепловых мостиков учитываются путем расчетов, которые обязательны и для новых, и для реконструируемых зданий.
Учет тепловых мостиков при проектировании ограждающих конструкций не проверяется властями.
Финляндия. Нормы учитывают влияние тепловых мостиков только для строящихся зданий. Расчет осуществляется с упрощением, которое применимо для слоев конструкции, состоящих из материалов с различной теплопроводностью, расположенных параллельно потоку теплоты. Если отношение большей теплопроводности к меньшей двух смежных материалов такого
научно-технический и производственный журнал
июнь 2013
15
слоя меньше 5, то в качестве теплопроводности всего слоя принимается усредненная по площади сечения теплопроводность материалов, слоя. Если же это отношение теплопроводностей материалов больше, чем 5, то элементы конструкции с большей теплопроводностью рассматриваются как тепловые мостики, влияние которых рассчитывается соответствующими методами или измерениями. Добавка от влияния линейных и точечных теплотехнических неоднородностей рассчитывается по формуле, аналогичной (3), и добавляется к значению U при расчетах трансмиссионных теплопотерь.
Нормы не содержат явных ограничений на влияние тепловых мостиков. Соблюдение требований при проектировании конструкций не контролируется властями, кроме как в рекомендательной форме.
Бельгия. На данный момент в Бельгии разработано пять различных подходов к учету мостиков холода в новых зданиях:
1. Получение величины теплопотерь при математическом 3D/2D-моделировании.
2. Добавление величины AUк общей величине теплопотерь. Значения ф и х могут быть приняты на основании моделирования или из таблиц, которые на данный момент разрабатываются и дополняются.
3. В случае, если все элементы конструкции сделаны согласно требованиям, позволяется к величине теплопо-терь по глади стены добавлять установленную величину, учитывающую теплотехнические неоднородности. Максимальные значения ф и прочие детали, относящиеся к данному подходу, находятся в разработке. Считается, что эта величина должна быть в пределах 5% погрешности относительно современных требований, предъявляемых к тепловой защите конструкций.
4. В случае, если в конструкции имеются нетиповые включения, которые не учитываются нормативными требованиями, требуется провести 2D- или 3D-расчет величин ф и х для этих элементов.
5. Если же неоднородности вообще не учитываются, то при расчете делают некоторую добавку к общим трансмиссионным потерям здания.
Для любых новых зданий в Бельгии требуется сертификат энергопотребления и разрешение на строительство.
Нидерланды. В Нидерландах используются как упрощенный подход, так и расчет тепловых мостиков, однако их влияние учитывается только в новых возводимых зданиях.
Упрощенный метод заключается в добавке AU=0,1 Вт/(м2-°С).
Расчет влияния тепловых мостиков позволяет учитывать влияние только линейных теплотехнических не-однородностей, которое добавляется к теплопотерям по глади конструкций.
Официально это отслеживается властями, однако учет деталей никак не проверяется на практике.
Германия. Тепловые мостики учитываются либо как заданная величина AU^g=0,05—0,15 Вт/(м2-К) для конструкций различного назначения, либо расчетом по приложению 2 к DIN 4108 [9], в котором содержатся примеры узлов ограждающих конструкций с максимальными значениями ф. Тепловые мостики учитываются при расчетах трансмиссионных теплопотерь через оболочку эталонного здания.
Теплотехнические неоднородности учитываются как в строящихся, так и в реконструируемых зданиях, однако выполнение требований обычно никак не отслеживается.
Франция. Действующие стандарты предусматривают учет неоднородностей только для новых зданий. Точный расчет или атлас теплотехнических неоднородностей Th-U используют только для определения влияния линейных теплотехнических неоднородностей. Методы расчета основаны на европейских стандартах [3—4] и др.
Согласно существующим требованиям величина теплового потока через линейные неоднородности не должна превышать: 0,65 Вт/(м-К) — для индивидуальных жилых зданий; 1 Вт/(м-К) — для многоквартирных зданий и 1,2 Вт/(м-К) — для иных зданий. Однако выполняются или нет эти требования, никак не проверяется компетентными органами.
Польша. Нормативная база предусматривает учет тепловых мостиков как в новых, так и в реконструируемых зданиях упрощенным методом или же точным расчетом. Упрощенный метод заключается в добавке поправки к величине теплопередачи по глади: наружные стены с оконными или дверными проемами AU=0,05 Вт/(м2-°С); наружные стены с дверными или оконными проемами и балконными плитами, проходящими через стену AU=0,15 Вт/(м2-оС).
Хотя проект здания и проходит предварительную проверку перед выдачей разрешения на строительство, в части учета тепловых мостиков она носит чисто формальный характер.
Представленный в актуализированной редакции СНиП метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче позволяет осуществлять сопоставление нормируемых показателей теплозащиты ограждающих конструкций с используемыми в европейских странах. Сравнение минимальных значений сопротивлений теплопередаче в России и Германии показывает, что требования к указанной величине в России выше.
Приведенный краткий обзор практического учета теплотехнических неоднородностей в странах Северной и Центральной Европы показал, что в большинстве из них учет теплотехнических неоднородностей производится, но проверка правильности реализации данных расчетов на практике почти нигде не осуществляется.
Работа выполнена в рамках ГК № 16.552.11.7064 от 13.07.2012 г.
Ключевые слова: теплозащита зданий, сопротивление теплопередаче, коэффициент теплопередачи, тепловые мостики, энергосбережение.
Список литературы
1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 23-02—2003. Мин-регион России, 2012.
2. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4-12.
3. DIN EN ISO 10211-1. Wärmebrücken im Hochbau. Wärmeströme und Oberflächentemperaturen. Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren. August 1995.
4. DIN EN ISO 10211-1. Wärmebrücken im Hochbau. Wärmeströme und Oberflächentemperaturen. Teil 2: Linienförmige Wärmebrücken. Juni 2001.
5. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2011. № 8. С. 2-6.
6. DIN 4108-2. Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Juli 2003.
7. СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». М., 2004.
8. Citterio M., Cocco M., Erhorn-Kluttig H. Thermal bridges in the EBPD context: overview on MS approaches in regulations. // EPBD Buildings Platform. 2008. 28-4. P. 64.
9. DIN 4108 Beiblatt 2. Wärmeschutz und EnergieEinsparung in Gebäuden. Wärmebrucken. Planungs- und Ausfuhrungsbeispiele. Marz 2006.
16
научно-технический и производственный журнал
июнь 2013
jVJ ®
