Обоснование значимых факторов критерия потери теплозащитных качеств стены

Работа посвящена определению и обоснованию значимых факторов критерия потери теплозащитных качеств стены. Поставленная цель достигается путем расчета теплопотерь условно принятого помещения здания и расчетом тепловой мощности отопления, в ходе которого выявляются факторы, непосредственно влияющие на соотношение снижения термического сопротивления конструкции стены помещения и повышения затрат на его отопление.

УДК 691

В.Ю. ДЕРЕВЯКИНА, магистрант, А.В. ЕРОФЕЕВ, канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Ключевые слова: теплотехнический расчет, расчет теплопотерь здания, потеря теплозащитных качеств стены, критерий теплозащиты
Keywords: Thermal calculation, calculation of building heat loss, loss of the wall of thermal insulation properties, criterion of thermal protection

Многие исследователи, занимавшиеся тематикой долговечности теплоизоляционных материалов в различных температурно-влажностных условиях, рассматривали старение теплоизоляционных материалов под нагрузкой, принимая достижение критического напряжения за критерий выхода их из строя. Однако для современных теплоизоляционных материалов прочностная характеристика не является показательной, так как будучи в составе многослойной ограждающей конструкции они не испытывают значительных механических нагрузок, кроме нагрузки от действия собственного веса, которую нельзя считать достаточной величиной нагружения. Таким образом, для утеплителей критерием долговечности будет являться потеря ими теплоизоляционных качеств.

С принятием закона №261 – ФЗ «Об энергосбережении» в 2009 году стало уделяться внимание оценке долговечности наружных стен по критерию их теплозащиты. В работах С.В. Александровского, Ф.В. Ли, С.В. Коканина, Н.С. Гурьянова при определении срока службы ограждающих конструкций за критерий теплозащиты принимается снижение проектной величины сопротивления теплопередаче на 5-30%. Однако эта величина является субъективным решением проектировщика. Следовательно, величина критерия теплозащиты нуждается в уточнении.

Для обоснования величины допустимого снижения критерия теплозащиты необходимо определить такую максимальную величину коэффициента теплопроводности, при которой затраты на отопление здания не будут превышать критических величин, а также других значимых факторов, влияющих на этот критерий. Для определения затрат на отопление, а также для установления максимальной величины коэффициента теплопроводности и факторов, влияющих на эту величину, рассчитаем для примера теплопотери условного произвольно взятого помещения.

Для расчета теплопотерь в качестве помещения принимается однокомнатная квартира на пятом этаже в 10-этажном жилом здании. Город строительства здания – Тамбов. План квартиры и разрез в осях 1-2 приведены на рис. 1, 2 соответственно. Конструкция наружных стен здания приведена на рис. 3. Ориентация наружных стен квартиры и окон юго-восточная. Система отопления центральная водяная, однотрубная, tг=95°С, t0=70°С. Толщина теплоизоляционного слоя подобрана по теплотехническому расчету.

К наружным ограждениям здания относятся те строительные конструкции, которые разделяют воздух внутри помещения с наружным воздухом: наружные стены, полы, окна, двери, крыша. Основные ограждения должны удовлетворять ряду требований: поэлементным, комплексным и санитарно-гигиеническим.

Чтобы удовлетворить поэлементным требованиям [1], необходимо выполнение условия:

(1)

Нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции , м²∙°С/Вт, определяется по формуле:

,

где − базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, м²∙°С/Вт, принимается в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП), °С∙сут/год, региона строительства; mp – коэффициент, учитывающий особенности региона строительства.

Градусо-сутки отопительного периода, ГСОП, °С∙сут/год, определяют по формуле [2]:

, (2)

где tв=20°С – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С; tот=-3,7°С – средняя температура наружного воздуха, °С [2]; zот=201 сут. – продолжительность отопительного периода, сут. [2].

ГСОП=(20+3,7)∙201=4763,7°С∙сут/год.

В зависимости от градусо-суток отопительного периода региона строительства определяется значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции согласно [1]:

;

Основной характеристикой ограждения, определяющей величину потерь и температуру tст, является величина приведенного термического сопротивления Rпр, которая определяется по формуле:

где Rв – сопротивление теплопередаче внутренней поверхности; Rн – сопротивление теплопередаче наружной поверхности; αв – нормированное значение коэффициента теплоотдачи от внутреннего воздуха к стене; αн – нормированное значение коэффициента теплоотдачи от стены к наружному воздуху; δi − толщина слоев конструкции, м; λi – теплопроводность слоев конструкции, Вт/(м∙°С).

В развернутом виде величина приведенного термического сопротивления Rпр определяется как:

,

Согласно условию (1), толщина теплоизоляционного слоя определяется как:

;

;

Согласно поэлементному требованию и [3], толщина утеплителя принимается стандартизированная и равная 0,06 м. Приведенное сопротивление теплопередаче пересчитывается, учитывая полученную толщину утеплителя:

Проверяется выполняемость условия:

Условие поэлементного требования выполняется, стены обладают необходимым термическим сопротивлением для заданной климатической зоны.

Комплексное требование будет выполнено, если удельная теплозащитная характеристика здания будет не больше нормируемого значения:

Санитарно-гигиеническое условие требует, чтобы температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций была бы не ниже минимально допустимых значений:

Исходя из расчета, выполненного по методике, изложенной в [1], оба требования выполняются, следовательно, толщина утеплителя остается прежней.

Требования тепловой защиты здания выполнены, так как одновременно выполнены все три требования. Следовательно, для дальнейшего расчета принимается толщина утеплителя, равная 60 мм.

Толщина теплоизоляционного слоя принимается 60 мм согласно требованиям стандартизации [3], что больше требуемого значения толщины на 8,8%. Таким образом, снижение теплозащитных свойств утеплителя на 8,8% не приведет к ухудшению теплозащиты здания. Следовательно, первым из значимых факторов, влияющих на величину критерия потери теплозащитных качеств стены, является толщина утеплителя, а также разница между принятой толщиной утеплителя и требуемой толщиной по условиям стандартизации.

В отапливаемых зданиях при наличии разности температур между внутренним и наружным воздухом постоянно происходят потери тепла через ограждающие конструкции. Системы отопления должны восполнять эти потери, поддерживая в помещениях внутреннюю температуру, требующуюся по санитарным нормам.

В данном примере в качестве теплоизоляционной системы ограждающей конструкции рассматривается система навесного вентилируемого фасада. Отличительным элементом вентилируемого фасада является воздушная прослойка (вентиляционный зазор), а принцип работы навесного вентилируемого фасада напрямую зависит от процессов, происходящих в этом зазоре.

Разность температур воздуха на улице и в помещении приводит к образованию теплового потока, обозначаемого буквой Q (рис. 4). Он всегда направлен от нагретой точки среды к холодной [4]. Проходя через материалы стены, тепловой поток нагревает их в разной степени. Чем ближе к наружной поверхности, тем ниже температура материала.

Для корректно спроектированного вентилируемого фасада температура на наружной поверхности слоя теплоизоляции на 1-3°С выше температуры наружного воздуха. Холодный уличный воздух, соприкасаясь с более теплой поверхностью утеплителя, нагревается и поднимается вверх [4]. Это создает непрерывный воздушный поток в зазоре. Постоянный приток свежего воздуха в зазор осуществляется за счет наличия продухов внизу конструкции, а также через зазоры в облицовке. Через верхние продухи воздух выходит наружу [5].

Состояние воздуха, помимо температуры, характеризуется также относительной влажностью φ, которая показывает, сколько влаги содержится в воздухе в % от максимально возможного его количества при данной температуре и максимальной упругости водяного пара E. Это значение показывает, какое максимальное давление создает пар при данной температуре. Под действием разности параметров воздуха внутри помещения и снаружи происходит диффузия влажного воздуха через стену в вентилируемый зазор и далее в атмосферу. Это явление называется влагоперенос. При прохождении через стену давление пара снижается, фактическая упругость водяного пара в каждом сечении стены обозначается буквой е. Ее изменение зависит от паропроницаемости слоев стены и их толщины. Распределение фактической упругости водяного пара в сочетании с распределением температуры в стене позволяет определить плоскость возможной конденсации пара, так называемой точки росы [6]. При правильно спроектированном вентилируемом фасаде такая плоскость отсутствует (рис. 5). Общее количество поступающего из помещения пара qп совпадает с количеством пара, который выводится через воздушный зазор, qотв.

Воздух, который поднимается по зазору, поглощает выходящую из стены влагу и уходит наружу. При достаточной ширине вентилируемого зазора δнорм влага из зазора уходит полностью. Конденсации пара и увлажнения материала стены не происходит.

Если величина вентилируемого зазора δв.п. недостаточна, то количество воздуха, проходящего через вентилируемый зазор, существенно уменьшается, так как зазор малой ширины имеет большое аэродинамическое сопротивление. Меньшее количество воздуха поглощает меньшее количество пара. В то же время количество пара, поступающего из помещения, не меняется. Воздух в зазоре начинает увлажняться гораздо интенсивнее, и на определенной высоте его относительная влажность достигает 100%. В этот момент на холодной внутренней поверхности облицовки выпадает конденсат [7]. Количество поступающего из помещения пара меньше, чем то количество, которое возможно отвести в атмосферу, а фактическая упругость водяного пара на поверхности утеплителя e становится равной максимальной возможной упругости пара в воздухе зазора Е. Высокая упругость пара в воздухе зазора начинает препятствовать пару, выходящему из помещения. Не имея возможности выйти в зазор, пар начинает конденсироваться, в результате чего наружная поверхность утеплителя начинает увлажняться. Увлажнение утеплителя резко снижает его термическое сопротивление, и конструкция стены в этом месте может промерзать [8]. В результате снижается теплотехническое качество конструкции и уменьшается долговечность входящих в нее материалов.

Помимо движения через материалы стены теплового потока и пара, также значительное влияние на теплотехническое качество конструкции оказывает перемещение через нее потока воздуха.

С повышением температуры воздуха в помещении растет его давление и уменьшается плотность. Постоянный подогрев воздуха радиаторами отопления и его конвекция создают область повышенного давления под потолком P1. Величина давления в этой зоне пусть и незначительна, но выше атмосферного на улице Pатм (рис. 6). Перепад давления вызывает движение воздуха в область низкого давления – из помещения через ограждающие конструкции на улицу. Такое явление называется эксфильтрация. В то же время в нижней части помещения, у пола, создается зона с более низким давлением P2, чем атмосферное. В этой зоне возникает обратное явление – инфильтрация [5]. Благодаря инфильтрации весь объем ушедшего воздуха замещается равным объемом воздуха, поступающего внутрь помещения. Чем выше этаж здания, тем значительнее увеличивается перепад давления между воздухом в помещении и атмосферным воздухом, так, температура наружного воздуха уменьшается с высотой. Учет этого явления необходим при расчете влажностного режима стен, так как дополнительное увлажнение материалов за счет эксфильтрации может превосходить увлажнение за счет процессов диффузии пара [7].

Таким образом, далее необходимо произвести расчет тепловой мощности системы отопления, в ходе которого рассчитываются основные тепловые потери через ограждающие конструкции здания.

Основные теплопотери через ограждающие конструкции рассчитываются в тех помещениях, где есть ограждающие конструкции.

Основные тепловые потери через наружные ограждения определяются по формуле:

где F – расчетная площадь ограждающей конструк­ции, м2.

Основные потери тепла для общей комнаты через стены и окна составили 447,21 Вт, а для кухни – 270,31 Вт.

Основные теплопотери через наружные ограждения отличаются от фактических потерь, так как не учитывается ряд факторов, вызывающих дополнительные потери тепла. В данном случае дополнительные потери тепла идут на расход теплоты на нагревание инфильтрирующегося воздуха через ограждающие конструкции помещений, а также ориентацию помещений по отношению к сторонам света.

Добавочные потери, определяемые ориентацией ограждений по сторонам света, рассчитываются по формуле:

,

где βор – коэффициент добавки на ориентацию [9].

Расчет расхода теплоты на нагревание инфильтрирующегося воздуха через ограждающие конструкции для помещений, оборудованных и не оборудованных естественной вентиляцией, производится согласно [10] по формулам:

,

,

где Lи – расход удаляемого воздуха, для жилых зданий без ограничения заселенности – (0,35⋅3 м³/ч) на 1 м² площади жилых помещений, но не менее 30 м³/ч на одного жителя [9]; pн – плотность воздуха при температуре внутреннего и наружного воздуха, кг/м³; с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг·°С), [9]; Gи – расход инфильтрующегося воздуха через ограждающие конструкции помещения, кг/ч; kн – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях.

Сумма добавочных теплопотерь для общей комнаты 304 Вт, а для кухни – 449 Вт.

При расчете тепловой мощности системы отопления необходимо учитывать регулярные бытовые теплопоступления в помещение от электрических приборов, освещения, технологического оборудования, коммуникаций и другого оборудования. При этом значения бытовых тепловыделений, поступающих в комнаты и кухни жилых домов, следует принимать в количестве 10 Вт на 1 м² площади пола, [9].

,

где F – площадь пола, м².

Бытовые теплопоступления для всей квартиры равны 315 Вт.

Системы отопления устраиваются для компенсации теплопотерь через наружные ограждения. Тепловая мощность системы отопления определяется по формуле:

,

где ∑Qпот – суммарные тепловые потери здания, Вт; ∑Qпост – суммарные теплопоступления в здание.

Полные теплопотери общей комнаты составляют 511,27 Вт, кухни – 644,52 Вт.

Тепловая мощность системы отопления определяется исходя из теплового баланса здания, с учетом коэффициента запаса мощности.

Тепловая мощность системы отопления для всей квартиры составляет 1329,16 Вт.

После подсчета всех теплопотерь помещением, составления теплового баланса и вычисления необходимой тепловой мощности необходимо задать параметры системы отопления и определить площадь поверхности и число отопительных приборов.

Система отопления центральная водяная, однотрубная, подключение с перемычкой, tг=95°С, t0=70°С. Радиаторы стальные панельные однорядные типа РСВ1-2.

Действительный расход воды в отопительном приборе рассчитывается по формуле, кг/с:

,

где Nn – теплопотери в рассматриваемом помещении, Вт; cв – удельная массовая теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг∙°С).

Требуемая теплоотдача прибора Qпр определяется по формуле:

,

где Nn – теплопотребность помещения, Вт; βтр – поправочный коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи теплопроводов, полезную для поддержания заданной температуры воздуха в помещении; Qтр – суммарная теплоотдача подводящих труб.

Расчетная плотность теплового потока определяется для теплоносителя (воды) по формуле:

,

где ∆tср – средний температурный напор в отопительном приборе, °С; qном – номинальная плотность прибора, принятого к установке, при стандартных условиях работы, Вт/м²; п, р, с – коэффициенты [10, табл. 3.2].

Площадь поверхности отопительного прибора вычисляется по формуле:

Число панельных радиаторов рассчитывается по формуле:

,

где f1 – площадь одной панели [11].

Таким образом, по расчету для помещения 1 требуется 0,557 шт. отопительных приборов. Так как возможно устанавливать только целое число приборов, то принимается 1 прибор. Для помещения 2 требуется 0,869 шт. приборов, следовательно, принимается также 1 прибор на комнату.

Из вышеизложенного следует, что в конкретном случае на данное помещение требуется 2 отопительных прибора. С течением времени конструкция стены, в том числе теплоизоляционный слой, подвергается различным воздействиям, которые снижают ее теплопроводящие функции, что неблагоприятно влияет на микроклимат помещения, вследствие чего температура помещения становится ниже нормируемой [12]. Чтобы предотвратить снижение температуры в помещении, необходимо, чтобы то тепло, которое обеспечивается отопительными приборами, превосходило потери тепла через ограждающие конструкции. На первый взгляд, кажется, что непосредственное снижение теплозащитных характеристик конструкции влечет за собой увеличение расходов теплоэнергии, что означает увеличение стоимости отопления. Однако на самом деле на этапе проектирования ограждающей конструкции с утеплителем и этапе расчета системы отопления закладывается определенный резерв, только по истечении которого будут увеличиваться расходы на отопление. Такой резерв осуществляется за счет наличия значимых факторов.

Одним из основных факторов, как отмечалось ранее, является запас, закладываемый при назначении толщины утеплителя. Из-за стандартизации толщина обычно назначается кратная 10 (20) мм, однако по расчету обычно получается не целое число, вследствие чего резерв на данном этапе достигает 20%. Это означает, что снижение теплозащитных характеристик утеплителя до определенного значения никак не повлияет на микроклимат помещений здания.

Другим фактором, безусловно, является установка тех или иных отопительных приборов. Все отопительные приборы имеют разную номинальную плотность теплового потока, разную площадь поверхности обогрева, количество секций и панелей, разную подводку труб и многое другое, что значительно влияет на расчет тепловой мощности системы отопления. В этом случае получается, что применение определенного типа прибора влияет на то, какое количество тепла он будет отдавать в помещение. Например, если выбрать радиатор с большей площадью нагрева, чем это необходимо по расчету, то в начале эксплуатируемого срока будут некоторые переплаты за отопление. Однако когда теплозащитные функции стены будут снижаться и теплопотери помещения будут расти, такой запас сыграет роль в том, что прибор все еще будет удовлетворять требованиям его теплоотдачи, а снижение теплозащитных качеств стены не будет носить значительный характер.

Температура подающего трубопровода является еще одним фактором. Температура воды на входе принимается согласно правилам и требованиям, в зависимости от способа подачи теплоносителя, подключения труб и вида сети теплоснабжения. В каждом конкретном случае принимается определенное значение этой температуры. При низком значении подающей температуры тепловой поток радиатора будет меньше, чем при высоком значении. Высокое значение температуры воды на входе обеспечит тот резерв, при котором снижение теплозащитных качеств стены не отразится на благоприятном микроклимате помещений здания.

Теплоизоляционные системы устраивают для сбережения тепло- и энергоресурсов, что позволяет значительно экономить средства, затрачиваемые на отопление здания. Когда резерв, о котором говорилось выше, будет исчерпан, тогда стоимость подачи теплоресурсов будет повышаться. Как будут увеличиваться затраты на отопление, можно проследить, построив график зависимости снижения сопротивления теплопередаче конструкции стены от требуемой теплоотдачи прибора, что прямо пропорционально стоимости отопления (рис. 7).

Из вышеизложенного следует, что существует ряд значимых факторов, который в каждом отдельно взятом случае даст разный резерв и будет влиять на величину критерия потери теплозащитных качеств стены. Таким образом, необходимо для каждого здания уточнять этот критерий индивидуально.

Расчет теплопотерь помещения был проведен для определения затрат на отопление и установления максимальной величины сопротивления теплопередаче конструкции стены и факторов, влияющих на эту величину. Подводя итог, следует обозначить факторы, влияющие на критерий потери теплозащитных качеств стены. Такими факторами являются: толщина утеплителя, а также разница между принятой толщиной утеплителя и требуемой толщиной по условиям стандартизации; резерв при выборе количества отопительных приборов, а также их типа; величина температуры подающего трубопровода, способ подачи теплоносителя, подключение труб.

Библиографический список

1. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. – М.: НИИСФ, 2012.

2. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23-01-99*. – М.: НИИСФ, 2012.

3. ТУ 5767-006-54349294-2014. Плиты полистирольные вспененные экструзионные ПЕНОПЛЭКС. – Санкт-Петербург, 2014.

4. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин. – М.: Стройиздат, 1973.

5. Макаров А.М. Строительная физика. Примеры решения задач [Электронный ресурс]: метод. указ. / сост. А.М. Макаров. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012.

6. Леденев В.И. Физико-технические основы эксплуатации кирпичных стен: учеб. пособие / В.И. Леденев, И.В. Матвеева. – Тамбов: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2008.

7. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Методика проверки выпадения конденсата в воздушном зазоре вентилируемого фасада. Опубликовано в кн. «Строительная физика в XXI веке». Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию НИИСФ РААСН. – Москва, НИИСФ, 2006.

8. Леденев В.И. Физико-технические основы эксплуатации наpужных кирпичных стен гражданских зданий: учеб. пособие / В.И. Леденев, И.В. Матвеева. – Тамбов: Изд-во Тамбовского государ­ственного технического университета, 2005.

9. СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. – М.: Минрегион России, 2012.

10. Проектирование систем отоплений и вентиляций гражданских зданий / Балашов А.А., Полунина Н.Ю. – Тамбов: РИС ТГТУ, 2011.

11. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление / Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. – М.: Строй­издат, 1990.

12. Гончарова М.А. Прогнозирование долговечности наполненного пенополиуретана в кровельной сэндвич-панели / М.А. Гончарова, Б.А. Бондарев, А.О. Проскурякова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. – 2014. – №3 (35).