Концепция нормирования теплозащитных свойств наружных ограждений зданий в свете требований закона «о техническом регулировании» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

строительная теплофизика и энергосбережение

Концепция нормирования теплозащитных свойств наружных ограждений зданий в свете требований закона «О техническом регулировании»

А.Г. Перехоженцев

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Рассмотрены нормативные требования к теп-лофизическим параметрам наружных ограждений зданий, необходимые для поддержания требуемых санитарно-гигиенических и комфортных условий в помещении.

Концепция нормирования теплофизических свойств наружных ограждений зданий должна основываться на следующих принципах. В связи с требованиями Федерального закона №184-ФЗ «О техническом регулировании» обязательными являются общие требования безопасности. Поэтому основной целевой задачей нормирования теплофизичес-ких параметров наружных ограждений зданий должно быть обеспечение санитарно-гигиенических и комфортных условий для пребывания человека в помещениях гражданских зданий и требуемых технологических условий в производственных помещениях. Санитарно-гигиенические условия предусматривают недопущение конденсата на внутренней поверхности наружного ограждения. Комфортные условия в помещениях гражданских зданий определяются гигиенистами и зависят от функционального назначения помещения.

Второй по важности задачей является обеспечение необходимой надежности и долговечности конструкции. Надежность конструкции, предполагает надежную или безотказную работу в течение срока эксплуатации, как с точки зрения прочностных характеристик, так и обеспечения санитарно-гигиенических условий в помещении при нормируемых условиях эксплуатации. Эта задача, так же как и комфортные условия в помещении, обеспечивается правильным выбором конструктивного решения ограждения. Долговечность наружных ограждений обеспечивается отсутствием конденсации влаги в зимний период года в зоне резких колебаний температуры (у наружной поверхности), так как разрушение конструкций происходит вследствие деструкции пористых материалов в результате попеременного замерзания и оттаивания воды в порах материала.

Нормативные документы, вышедшие в последнее время, целевыми задачами при проектировании наружных ограждений зданий ставят вопросы энергосбережения и экономические аспекты, связанные с этим. Вопросы сбережения тепла очень важны, однако они не являются основными при проектировании наружных ограждающих конструкций зданий. При этом экономический аспект проблемы должен рассматриваться не только с точки зрения перспективной экономии тепла в процессе эксплуатации здания, но и с учетом единовременных затрат. Так, например, необоснованное завышение от 30 до 60% требуемого сопротивления теплопере-

даче в таблице 4 СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1], приводит к тому, что уже сегодня расходуются те энергетические ресурсы, которые мы собираемся экономить в будущем.

Для обеспечения комфортных условий в помещении очень важно выбрать критерий для наружных ограждений зданий. Таким критерием может быть температурный перепад между нормируемой температурой воздуха в помещении и температурой внутренней поверхности наружного ограждения, то есть At н = — тв. (Нормируемые температурные перепады приведены в таблице 5 СНиП [1]). Так, например, для наружных стен жилых зданий при температуре воздуха в помещении 20оС нормируемый температурный перепад равен At н = 4оС. Следовательно, температура внутренней поверхности наружной стены должна быть равна 16оС. Как установлено гигиенистами, человек чувствует себя комфортно, с точки зрения теплового режима, если отклонение от данных условий составляет не более 2,0оС[3].

Таким образом, для зимних условий эксплуатации должны выполняться следующие условия:

— для соблюдения санитарно-гигиенических условий температура внутренних поверхностей наружных стен, включая неоднородные участки с теплопроводными включениями, должна быть выше температуры точки росы при расчетной температуре и относительной влажности воздуха в помещении;

— для обеспечения комфортных условий допустимые колебания температуры внутренней поверхности наружных непрозрачных ограждений должны определяться следующим образом:

= ^ -АГ ± А,

(1)

где Аt н — нормируемый температурный перепад определяемый по таблице 5 СНиП [1]); А — допустимая амплитуда колебания температуры внутренней поверхности наружного ограждения, принимаемая 2,0оС.

Расчетная результирующая температура внутренней поверхности ограждения должна определяться по средневзвешенной величине сопротивления теплопередаче для непрозрачных и прозрачных участков ограждения, определяемая с учетом требований по энергосбережению, т.е.

гпр _

= 'в -

П- ('в - 'и)

(2)

*оР -аВ

где £0пр — средневзвешенная величина сопротивления теплопередаче для непрозрачных и прозрачных участков ограждения, определяемая по формуле

доп

X

в

строительная теплофизика и энергосбережение

Я"р =

Р + Р

(3)

где Р и Ро — соответственно площади, занимаемые непрозрачными участками наружных ограждений и окнами.

Требуемое сопротивление теплопередаче непрозрачных участков ограждения определяют с учетом условий эксплуатации помещения и требований по энергосбережению по формуле, предложенной в [5]

*ор = пЧ^+к - /оп ),оп • 10—4

(*в — Тр) а

(4)

где кэн — коэффициент энергосбережения, определяемый по таблице 1; тр — температура точки росы, определяемая для расчетных параметров внутреннего воздуха в помещении (температуры и относительной влажности воздуха), в соответствии с требованиями ГОСТ 30494-96 [2].

Для светопрозрачных конструкций остекления вместо температуры точки росы тр в формуле (4) принимают допустимую температуру на поверхности стекла, равную то = 3 °С, т.е.

*оТР = —/н) + ^н — 'оп Кп • 10—4. (5)

('в — то) -а В

Расчет температуры на внутренней поверхнос-

ти непрозрачной части наружных стен приведен в таблице 2 в сравнении с расчетом по СНиП[1].

Как видно из таблицы 2, при расчете по формуле (4) при сохранении требований по энергосбережению практически во всех климатических районах выполняются и условия комфортности (тв ), при этом требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен можно сократить от 17,6% в г. Красноярске до 68,4% в г. Сочи.

Обоснованное уменьшение требуемого сопротивления теплопередаче позволит уже сегодня сэкономить значительные энергетические и материальные ресурсы, необходимые для производства и транспорта, как строительных материалов, так и конструкций из них. При этом температура внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций находится в пределах комфортного теплового режима в помещении, т.е. отклонение от нормируемой комфортной температуры, равной 16 оС около 1,5 оС.

Расчет распределения температуры в конструкции с учетом инфильтрации холодного воздуха

Для конструкций с воздухопроницаемыми наружными слоями (например, с сопротивлением воздухо-проницанию менее 10 м2 ч Па/кг) необходимо произвести расчет распределения температуры с учетом инфильтрации холодного воздуха по формуле [4]:

Коэффициенты энергосбережения, кзн *

№ п/п Здания и помещения стен Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми помещениями Покрытий и перекрытий над проездами Окон и балконных дверей, витрин и витражей Фонарей с вертикальным остеклением

1 Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты 3,5 4,5 5,0 0,35 0,25

2 Общественные здания, кроме п. 1, а также административные и бытовые 3,0 3,5 4,0 0,30 0,25

3 Производственные здания 2,0 2,0 2,5 0,25 0,2

'(коэффициенты энергосбережения кэн для непрозрачных ограждений соответствуют

.

Таблица 1. Нормируемые коэффициенты энергосбережения.

строительная теплофизика и энергосбережение

Город °с ГСОП, °С сут /?отр (СНиП) /?отр (ф-ла) А/?0, % гв ,°С (СНиП) гв ,°С (ф-ла)

Волгоград - 25 3952 2,78 1, 936 30,3 18,1 17,3

Калининград - 19 3648 2,68 1,762 34,2 18,3 17,4

Краснодар -19 2682 2,34 1,422 39,2 18,1 16,8

Красноярск - 40 6341 3,62 2,96 18,2 18,1 17,6

Москва - 28 4943 3,13 2,32 25,7 18,2 17,6

Ростов-на-Дону -22 3523 2,63 1,74 33,5 18,2 17,2

Сочи - 3 979 1,74 0,55 68,4 18,5 16,4

Таблица 2. Сравнение значений тв, рассчитанных по Яотр (СНиП) и RoJp (формула 3).

^ - &„ + Щ) • [(/„ - /н)/Я0 - с \¥п_, • /н]

, (6)

1 + с^- • (*а +Щ)

где Яв — сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности ограждения; ЕЯ. — сумма термических сопротивлений слоев конструкции от внутренней поверхности до слоя /' ; \Уп-. — удельный расход воздуха, инфильтрирующегося через часть ограждения от наружной поверхности до сечения ., определяемого по формуле

\ . = Ар/ЕЯ

П (п-1 ) 1

(7)

Ек - ен

(8)

(ев - ен) / (Фв - Фн) = ЕЕ.. Значение температуры Ф. и максимальной упругости Е(Ф.) в плоскости конденсации можно определить графически (рис.1) по соответствующим шкалам температуры и упругости водяного пара либо более точно по формулам: — для градиентов ЕЕ. ,значения которых больше 48, по формуле

Фк+ = -8,71+^7,575 АЕк - 287,7 ;

(9)

— для градиентов ЕЕ. ,значения которых меньше 48, по формуле

где Я.ы (пП_[ ) — сумма сопротивлений воздухопро-ницанию слоев части ограждения от наружной поверхности до сечения ..

Нормирование сопротивления паропроницанию

Необходимым условием нормирования сопротивления паропроницанию, должно быть отсутствие накопления влаги в конструкции в холодный период года, то есть количество влаги, которое войдет в конструкцию, должно выйти из нее. В этом случае должно выполняться условие:

Фк+ = -8,71+^22,2АЕк - 99,5 ;

(10)

ления водяного пара внутреннего и наружного воздуха; Ек — парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации, определяемой по среднемесячным значениям температур наиболее холодного месяца; и Ян — сопротивления паропроницанию до плоскости конденсации и после нее.

Для определения Ек используем метод параллельного переноса линии ев — ен (более подробно см. в [5]). Для этого необходимо определить предельный градиент упругости водяных паров, который зависит от условий эксплуатации т.е. от значений Ф, е и Ф , е и определяется по соотношению

— для градиентов ЕЕ. = 48 температура ф =0. По температуре в плоскости конденсации по таблицам определяют значение максимального парциального давления Е (Ф. ) в этой плоскости.

Подставляя в соотношение (8) значение Е., можно подобрать требуемое соотношение сопротивлений паропроницаемости слоев ограждения, исключающее накопление влаги в холодный период года.

Расчет параметров тепло- и паропроницания многослойных ограждающих конструкций зданий

Для выполнения требований норм по энергосбережению наружные ограждающие конструкции, как правило, должны представлять собой многослойные системы, в которых всегда можно выделить два слоя, один из них должен выполнять функцию теплозащиты, другой регулировать диффузию пара в ограждении, а остальные слои определены конструктивными или технологическими требованиями. При этом для обеспечения надежных эксплуатационных свойств многослойная конструкция должна отвечать следующим требованиям [5]:

еут еПИ

яОрЛ = Я +^ +—+— + Я"' (")

= ЯвП +

+ -хут Я.™

5ут 5пи

+-+-+ ЯП

цут ЦПИ П

(12)

т.- =

где ев и ен — соответственно, парциальные дав-

строительная теплофизика и энергосбережение

где Я, Я, Я , Я — соответственно сопротив-

в н вп нп 1

ления тепло- и влагообмена внутренней и наружной поверхности ограждения; ^Я.к, 2Я. — суммы термических сопротивлений и сопротивлений паропроницанию конструктивно заданных слоев ограждения;

8ут 8 ™ 8ут 8ПИ Яут=-; Япи=- ; Я уп=- ; Я пи ---

хл = tn +

Г

Ц'

Ц

термические сопротивления и сопротивления паропроницанию утепляющего и пароизоляционно-го слоев; г — коэффициент теплотехнической однородности.

Требуемое сопротивление паропроницанию определим из условия равенства потоков пара, которое вошло в плоскость конденсации в холодный период года и которое вышло, т.е. при выполнении условия (8) по формуле [5]:

Е - е

RP = яв(1 + )■

ев - Ек

(13)

Зная требуемые сопротивления теплопередаче и паропроницанию, подставляя соответствующие значения в систему (9-10), можно определить либо толщины слоев утеплителя и пароизоляции 8ут и 8пи, либо их сопротивления.

Проверка ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года

В теплый период года важно контролировать не амплитуду колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения, а не допустить перегрев этой поверхности конструкции выше комфортной для летних условий. Поэтому в районах со среднемесячной температурой июля 21°С и выше температура внутренней поверхности ограждающих конструкций (наружных стен с тепловой инерцией менее 4 и покрытий менее 5), исходя из комфортных условий для теплого периода года твл, °С, зданий жилых, больничных учреждений (больниц, клиник, стационаров и госпиталей), диспансеров, амбула-торно-поликлинических учреждений, родильных домов, домов ребенка, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, детских садов, яслей, яслей-садов (комбинатов) и детских домов не должна быть более допустимой, определяемой по формуле

тву = /вл + 0,5 • [2,5 - 0,1- (/нл - 21)], (14)

где ^вл — расчетная температура внутреннего воздуха в теплый период года, °С, принимаемая согласно ГОСТ 30494-96.

Расчетную температуру внутренней поверхности ограждающих конструкций в теплый период года, т л, °С, следует определять по формуле

(tHpac4 - О

(15)

где tHpacH — расчетная температура наружного воздуха в теплый период года, определяемая по формуле

Р ■ Amax

Ссч = t + k

(16)

где tл — средняя месячная температура наружного воздуха за июль; анл — коэффициент теплообмена наружной поверхности ограждающей конструкции для теплого периода года; р — коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции; 1тх — максимальное значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м2; к) — температурный коэффициент, учитывающий тепловую инерцию ограждения и определяемый следующим образом:

— для ограждающих конструкций с тепловой инерцией й < 1,5 следует принимать к) =1;

— для ограждающих конструкций с тепловой инерцией 1,5 < й < 4 следует рассчитывать по формуле

kt = 0,24 + 0,304 • (4 - D);

(17)

— для ограждающих конструкций с тепловой инерцией 4 < й < 5 следует принимать к) = 0,24; где й — показатель тепловой инерции.

Список литературы

1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий, Гос-

строй РФ, М. 2004.

2. СП 23-101-2000 Проектирование тепловой защи-

ты зданий, Госстрой России, М. 2001.

3. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений:

Расчет комфортных условий по теплоощущени-ям человека /Пер. с венг. В.М.Беляева; Под ред. В.И. Прохорова и А. Л. Наумова. — М.: Стройиздат, 1981. с.83.

4. Перехоженцев А.Г. Методика расчета распределения температуры в многослойных ограждающих конструкциях зданий с учетом влияния инфильтрации холодного воздуха/ Материалы 2-й Международной научно-техн. конф. «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции», МГСУ, М. 2007.

5. Перехоженцев А.Г. Комплексный расчет тепло-

и пароизоляции многослойных ограждающих конструкциях зданий/Материалы 2-й Международной научно-техн. конф. «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции», МГСУ, М. 2007.

Л

а

н