CC BY
11Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Structural calculations
УДК 697.1: 699.86
О.Д. САМАРИН1, доцент, канд. техн. наук (samarin-oleg@mail.ru); П.В. ВИНСКИЙ2, инженер
1 Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26 ) 2 ОАО «Моспроект-2» им. М.В. Посохина (123056, Москва, 2-я Брестская, 5, стр. 1)
Вероятностное обоснование среднего сопротивления теплопередаче оконных блоков за отопительный период
В работе определена погрешность применения для оценки годового энергопотребления зданий полученной ранее авторами зависимости сопротивления теплопередаче современных конструкций оконных блоков от отношения фактической разности температур наружного и внутреннего воздуха к стандартной. Приведены результаты вычислений среднего за отопительный период безразмерного коэффициента теплопередачи оконного блока аналитическим интегральным методом и численным методом Монте-Карло на основе использования вероятностно-статистического моделирования соотношений между расчетными параметрами наружного климата для условий трех городов России. Дан анализ полученных результатов и доказана возможность применения предлагаемой зависимости для более точной оценки годового энергопотребления зданий и определения их. класса энергосбережения в соответствии с методикой СП 50.13330.2012 при сохранении допустимой погрешности инженерного расчета.
Ключевые слова: экспериментальная зависимость, оконный блок, коэффициент теплопередачи, интегральный метод, метод Монте-Карло.
O.D. SAMARIN1, Associate Professor, Candidate of Sciences (Engineering) (samarin-oleg@mail.ru); P.V. VINSKY2, Engineer
1 Moscow State University of Civil Engineering (26 Yaroslavskoye Highway, 129337, Moscow, Russian Federation) 2 OAO «Mosproekt-2» named after M.V. Posokhin (5, structure 1, 2nd Brestskaya Street, 123056, Moscow, Russian Federation)
Probabilistic Substantiation of Average Resistance of Window Blocks to Heat Transfer during Heating Period
To assess the annual energy consumption of buildings, the work determines an error of using the dependence of resistance of modern window blocks designs to heat transfer, obtained early by authors, on the relation of factual difference of temperatures of outdoor and indoor air to the standard. Results of the calculation of an average non-dimensional coefficient during the heating period using the analytic integral method and the Monte Carlo numerical method on the basis of the use of probabilistic-statistic simulation of the ratio between calculated parameters of outdoor climate for conditions of three cities of Russia are presented. The analysis of results obtained is made, a possibility to use the proposed dependence for more accurate evaluation of the annual energy consumption of buildings and determination of their class of energy saving in accordance with methods SP 50.13330.2012 at maintaining the margin of error of engineering calculation is proved.
Keywords: experimental dependence, window block, heat transfer coefficient, integral method, Monte Carlo method.
В настоящее время одними из основных способов снижения энергозатрат на отопление и вентиляцию зданий в России и за рубежом являются дополнительная теплоизоляция несветопрозрачных конструкций и применение оконных блоков с повышенным уровнем теплозащиты [1-8]. При этом по требованиям СП 50.1330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» предполагается, что значения сопротивлений теплопередаче наружных ограждений являются фиксированными, определенными исходя из величины градусо-суток отопительного периода (ГСОП) с возможным применением региональных коэффициентов.
Однако в работе [9] было получено, что сопротивление теплопередаче оконного блока от разности температур зависит нелинейно. Это означает, что его значение, вычисленное по средним параметрам отопительного периода, может, вообще говоря, отличаться от осредненного по текущим значениям. Так получается, потому что при понижении наружной температуры по сравнению со средним уровнем Д,к будет уменьшаться иначе, чем возрастать в обратном случае. Следовательно, необходимо проверить, какова бу-
дет погрешность определения величины Д,к, используемой для расчета суммарных энергозатрат на отопление и вентиляцию здания, если ее вычислять по средней температуре наружного воздуха за отопительный период. После этого нужно выяснить, будет ли эта погрешность в пределах точности инженерного расчета. Так как авторов интересуют в первую очередь именно энергозатраты, такую проверку целесообразно вести с помощью выражения для текущего теплового потока через оконный блок.
Элементарное количество теплоты (!(£, Вт, которое теряется в окружающую среду за время скс, с, в этом случае можно определить так:
dQT=KAATdz,
(1)
где К - коэффициент теплопередачи оконного блока, Вт/(м2-К); АТ - текущий температурный перепад между внутренней и наружной температурой (Гв—Гн), К; А - площадь оконного блока, м2. _Тогда элементарное безразмерное количество теплоты сЦ2 по отношению к суммарному за отопительный период равно:
Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Результаты вычисления Кср по формуле (7) и при различных значениях показателя п в соотношении (5)
n 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6
Кар txM = -7,8 а = 0,19 1,0127 1,0147 1,0169 1,0191 1,0214
txM = -11,8 а = 0,15 1,0162 1,0188 1,0215 1,0243 1,0273
txM = -22 а = 0,1 1,023 1,0267 1,0306 1,0346 1,0388
Таблица 2
Результаты вычисления Кср методом Монте-Карло
n 0,58
^cp ton = -2,2 O, = 2,7 1,0071
ton = -3,9 dt = 3,55 1,0108
ton = -9,9 a, = 4,4 1,0106
Я-™* = KÄTdi,
А1 ст-^оп
(2)
где К„ - коэффициент теплопередачи оконного блока, Вт/(м2К), определенный при стандартных условиях; ДГСТ - стандартный температурный перепад (1в—^)ст, К; £оп - продолжительность отопительного периода, сут; т = г/гоп - безразмерное время для момента г, сут, с начала отопительного периода.
Стандартный перепад температуры можно выразить следующим образом:
^=4(8-^), (3)
где ¡хл - средняя температура наиболее холодного месяца в районе строительства, К. Тогда:
ДГ=й+т(1-т) где fl = f
^ о — 'хм
(4)
т. е. изменение текущей наружной температуры аппроксимируется параболической зависимостью, в которой 1/4 -коэффициент нормировки, 8 - граничная температура начала и конца отопительного периода, 20 - средняя величина 1ъ. В частности, для Москвы а = 0,19.
В результате эксперимента авторами настоящей работы получена зависимость [9] сопротивления теплопередаче современных конструкций оконных блоков от отношения фактического температурного перепада к стандартному для более точного определения энергопотребления зданий:
К=
f — л AT
Д Тс
, где п = -0,58.
(5)
ср у
Подставляя выражения (4), (5) в (2), после интегрирования получим:
Q г==|(а+т (1 - =Кср ¡(a+z(l-z))dz=KCT>
m
(6)
где Д2£р=а+1/6 - средняя за отопительный период безразмерная величина Д Т в соответствии с выражением (4). Следовательно, для осредненного коэффициента теплопередачи оконного блока за отопительный период можно окончательно записать: 1
-т;-. (7)
Р (а +1/6)"
В качестве примера приведем результаты расчетов для трех городов России с различными климатическими условиями - Москвы, Костромы, Сургута по дан-
ным СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». Интеграл (7) в данном случае берется численно.
Легко понять, что погрешность вычисления осредненного сопротивления теплопередаче в относительном выражении будет такой же. Можно также смоделировать реальный процесс теплопередачи через оконный блок при стохастических колебаниях перепада температур. Сделать это можно, например, методом Монте-Карло, когда текущие значения AT генерируются с использованием датчика псевдослучайных чисел. Авторами была разработана программа для ЭВМ на языке Fortran, алгоритм которой предусматривает вычисление на каждом временном шаге величины AT и пересчет безразмерного коэффициента теплопередачи
по выражению (5). _
Затем все значения К осреднялись по общему числу произведенных испытаний, которое в рассматриваемом случае было принято равным 2106, что достаточно для обеспечения статистической устойчивости, но в то же время на много порядков меньше периода повторяемости применяемого датчика, который равен примерно 231 ~ 1,1 • 109.
При вычислении К для упрощения расчетов было сделано предположение о нормальном распределении температуры наружного воздуха tH, что вполне допустимо в соответствии с имеющимися вероятностно-статистическими моделями наружного климата [10]. При этом в качестве математического ожидания tH принималось среднее значение за отопительный период ton, а в роли среднеквадратическо-го отклонения at, оС, выступала половина средней суточной амплитуды температуры воздуха наиболее холодного месяца по СП 131.13330.2012. Результаты расчетов для районов с параметрами, соответствующими предыдущей таблице, приведены ниже.
Легко видеть, что полученные коэффициенты очень близки к единице, как и в таблице 1. Это свидетельствует о том, что при использовании режима стохастических колебаний достаточно адекватно отображается характер реального изменения наружной температуры в течение отопительного периода.
С учетом доли теплопотерь через светопрозрачные ограждения в общем тепловом балансе здания погрешность составит менее 1%, что лежит в пределах обычной точности инженерного расчета. Это доказывает возможность применения экспериментальной зависимости (5) для более точной оценки годового энергопотребления зданий и определения их класса энергосбережения в соответствии с методикой СП 50.13330.2012 при использовании величины ton в качестве расчетной температуры.
Список литературы
1. Curtland Christopher. High-Performance Glazings: Windows of Opportunity. Buildings. 2013. № 10. P. 23.
2. Liu G., Liu H. Using Insulation in China's Buildings: Potential for Significant Energy Savings and Carbon Emission
52
10'2015
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
Reductions. Low Carbon Economy. 2011. Vol. 2. No. 4, pp. 220-223.
3. Motuziene V., Juodis E.S. Selection of the efficient glazing for low energy office building / Papers of the 8th International Conference «Environmental Engineering». Vilnius. 2011. P. 788-793.
4. Dongye Sun, Wen-Pei Sung and Ran Chen. Benefit Analysis of the Energy Saving Reconstruction of the Office Building in Chagan Hada // Applied Mechanics and Materials. 2011. V. 71-78. P. 4976-4980.
5. Ким Л.М., Магай А.А., Черненко Е.Н. Повышение тепло-физических качеств светопрозрачных конструкций // Окна. Двери. Фасады. 2011. № 2 (41). С. 70-75.
6. Пчелинцева Л.В., Тихомирнов С.И. Проблемы энергосбережения в России. Современные требования к системам оконного и фасадного остекления зданий // ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 445-449.
7. Kneifel J. Life-cycle Carbon and Cost Analysis of Energy Efficiency Measures in New Commercial Buildings // Journal «Energy and Buildings». 2010. Vol. 42. No. 3. Р. 333-340.
8. Самарин О.Д., Винский П.В. Экспериментальная оценка теплозащитных свойств оконных блоков // Жилищное строительство. 2014. № 11. С. 41-43.
9. Самарин О.Д. Интегральные характеристики отопительного периода // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2010. № 2. С. 38-40.
10. Самарин О.Д. Основы обеспечения микроклимата зданий. М.: АСВ, 2014. 208 с.
References
1. Curtland Christopher. High-Performance Glazings: Windows of Opportunity. Buildings. 2013. No. 10, pp. 23.
2. Liu G., Liu H. Using Insulation in China's Buildings: Potential for Significant Energy Savings and Carbon Emission Reductions. Low Carbon Economy, 2011, Vol. 2. No. 4, pp. 220-223.
3. Motuziene V., Juodis E.S. Selection of the efficient glazing for low energy office building. Papers of the 8th International Conference «Environmental Engineering». Vilnius. 2011, pp. 788-793.
4. Dongye Sun, Wen-Pei Sung and Ran Chen. Benefit Analysis of the Energy Saving Reconstruction of the Office Building in Chagan Hada. Applied Mechanics and Materials. 2011. Vol. 71-78, pp. 4976-4980.
5. Kim L.M., Magay A.A., Chernenko E.N. Increase of thermal protection qualities of translucent enclosures. Okna. Dveri. Fasadyi. 2011. No. 2 (41), pp. 70-75. (In Russian).
6. Pchelintseva L.V., Tikhomirnov S.I. Problems of energy saving in Russia. Present-day requirements to the systems of window and facade glazing. ACADEMIA. Architectura i Stroitel'stvo. 2010. No. 3, pp. 445-449. (In Russian).
7. Kneifel J. Life-cycle Carbon and Cost Analysis of Energy Efficiency Measures in New Commercial Buildings. Journal «Energy and Buildings». 2010. Vol. 42. No. 3, pp. 333-340.
8. Samarin O.D., Vinsky P.V. Experimental estimation of thermal protective properties of window units. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 11, pp. 41-43. (In Russian).
9. Samarin O.D. Integral characteristics of the heating season. Santekhnika. Otoplenie. Konditsionirovanie. 2010. No. 2, pp. 38-40. (In Russian).
10. Samarin O.D. Osnovy obespecheniya mikroklimata zdanii [Bases of providing microclimate of buildings]. M.: ASV, 2014. 208 p. (In Russian).
Новый завод по производству сэндвич-панелей заработал в Волгоградской области
18 сентября 2015 г. был введен в эксплуатацию новый завод по производству сэндвич-панелей итальянского холдинга Gruppo Manni в г. Волжский, Волгоградская обл. В торжественной церемонии открытия предприятия приняли участие президент холдинга Gruppo Manni Джузеппе Манни и вице-президент Франческо Манни, генеральный директор ООО «Изо-пан Рус» Фаусто Бальдино, а также вице-губернатор области А.В. Дорждеев.
Продукция будет выпускаться под брэндом ISOPAN RUS. Строительство завода заняло два года, а сумма вложенных инвестиций составила порядка 25 млн евро.
Мощность российского предприятия Gruppo Manni составит почти одну пятую от совокупной мощности всех заводов итальянского холдинга (14 млн м2 в год).
Как пояснили в «Изопан Рус», дочерней компании холдинга, на волжском заводе смонтированы две производственные линии по выпуску стеновых и
кровельных сэндвич-панелей с наполнением из минеральной ваты, пенополиизоцианурата и пенополиуретана.
Поставщиком стального проката для сэндвич-панелей завода станет «Северсталь», в качестве потребителей уже готовы выступить волгоградские власти, планирующие построить из конструкций баскетбольный стадион около Мамаева Кургана.
Предполагается, что на новом предприятии будет создано порядка 100 рабочих мест, налоговые отчисления при выходе на запланированный объем производства превысят 160 млн р. в год.
Кроме того, «Изопан Рус» намерен выпускать навесные фасадные системы на основе сэндвич-панелей Ark-Wall и продукцию для плоской кровли Isodeck Pv Steel, позволяющих втрое сократить время возведения крыши.
По материалам пресс-службы ООО «Изопан Рус»
