CC BY
16Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
УДК 697.133
А.Ю. НЕКЛЮДОВ, инженер ([email protected])
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Расчет характеристик энергопотребления здания при определении трансмиссионных тепловых потерь
В статье рассмотрен расчет характеристик энергопотребления, сопряженный с определением трансмиссионной составляющей тепловой нагрузки на системы отопления. Величина удельной теплозащитной характеристики определяется на основании значений парциальных теплозащитных характеристик, которые рассчитываются с помощью матричного метода параллельно с трансмиссионными тепловыми потерями. Показан аналитический переход от обязательной методики приложения Г СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» к возможности выполнения подобных расчетов с помощью матричного метода. Рассмотрено понятие местной теплозащитной характеристики. Выполнены показательные расчеты представленных теплозащитных характеристик для типового жилого здания. Определена область применения обозначенных параметров.
Ключевые слова: удельная теплозащитная характеристика, трансмиссионные тепловые потери, матричный метод, парциальная теплозащитная характеристика, местная теплозащитная характеристика, энергопотребление.
A.Yu. NEKLYUDOV, Engineer ([email protected]) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (RAACS) (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Calculation of Characteristics of Power Consumption of a Building When Determining Transmission Heat Loss
The article considers the calculation of power consumption associated with determining the transmission component of the thermal load on the heating systems. The value of the specific heat protection characteristic is determined on the basis of the values of partial heat protection characteristics which are calculated with the help of the matrix method in parallel with transmission heat loss. An analytical transition from the mandatory methodology of the Annex G SP 50.13330.2012 "Heat Protection of Buildings" to the possibility of similar calculations with the help of the matrix method is shown. The concept of local heat protection characteristics is considered. Indicative calculations of heat protection characteristics for a typical residential building are made. The sphere of the use of these parameters is determined.
Keywords: specific heat protection characteristic, transmission heat loss, matrix method, partial heat protection characteristic, local heat protection characteristic, power consumption.
Приложение Г СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» содержит в себе методику расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий. Эта удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию является основной величиной, характеризующей потребление энергии зданием, которая используется при определении класса энергосбережения здания.
В области информационных технологий все большее распространение получает такая серия подходов и методов обработки баз данных, которая позволяет оперировать этими данными при использовании принципа «три V»: volume (объем данных), velocity (скорость обработки, а также возможного прироста данных) и variety (многообразие типа данных, подразумевающее необходимость особенной структурированности этих данных). Такая совокупность подходов получила название «big data» (большие данные). Применение этих современных подходов при проектировании зданий позволит сопрягать такие задачи, как составление тепловых балансов помещений и определение удельных характеристик здания. Это позволит не только уточнить собственно расчеты, но и максимизировать аналитическую работу при определении энергетически «слабых» компонентов здания, а также стандартизировать некоторые проектные работы. Под
компонентами здания здесь следует понимать как какие-либо конкретные помещения целиком, так и отдельные элементы конструкций этих помещений и объемно-планировочные решения.
Удельная теплозащитная характеристика
Удельная теплозащитная характеристика здания коб рассчитывается согласно СП 50.13330.2012 по формуле (1):
1 \
ПЦ ппр V ол у
~ К •К
" КОМП общ ,
(1)
где обозначения согласно СП 50.13330.2012.
При определении величины удельной теплозащитной характеристики применяются результаты расчета приведенного сопротивления теплопередаче фрагментов теплозащитной оболочки, которые используются в СП 50.13330.2012 в качестве поэлементных требований. Как правило, в качестве фрагмента теплозащитной конструкции рассматривают ограждающую конструкцию целиком (стена, покрытие, окно и т. п.). Однако для нужд расчетов, направленных для определения тепловой мощности систем отопления здания, осреднение значений приведенного сопротивления теплопередаче по фрагментам, не совпадающим с границами помещений, может вызы-
72016
11
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
вать некоторую ошибку и при тепловом расчете отопительных приборов, так как для подбора отопительного оборудования помещения в расчет будут взяты некорректные тепловые балансы. В то же самое время применение элементного подхода для расчета трансмиссионной составляющей тепловых потерь крайне необходимо: сложные узлы современных конструкций часто остаются недооценены. При этом необходимость учета всего набора линейных и точечных теплопроводных включений - повышение точности расчета и минимизация искусственных запасов -ограничивается строгими экономическими требованиями, с одной стороны, и жизненной необходимостью - с другой. Существенные предпосылки к повсеместному переходу на расчеты с использованием элементного подхода представлены в [1, 2].
Также величина удельной теплозащитной характеристики нормируется в качестве комплексного требования к тепловой защите здания. Согласно п. Ж.2 СП 50.13330.2012 удельная теплозащитная характеристика также может быть определена через характеристики элементов, составляющих все конструкции оболочки здания, по формуле (2):
к
Коб~ V
У
(2)
где обозначения согласно СП 50.13330.2012.
При таком подходе с учетом современных требований, регламентирующих экономное расходование энергетических ресурсов, целесообразно стандартизировать расчет удельной характеристики теплозащитной оболочки и расчет трансмиссионных тепловых потерь, необходимый для проектирования систем отопления.
Расчет трансмиссионной составляющей тепловых потерь помещений здания
Определение трансмиссионных тепловых потерь, т. е. тепловых потерь за счет теплопередачи через ограждающие конструкции, с полноценным использованием элементного подхода реализовано с помощью матричного метода, представленного в [3-6].
Матричный метод для составления тепловых балансов помещений зданий - это такой подход, при котором потоки теплоты, характерные для помещений зданий, представлены в качестве сосредоточенных параметров и распределены в строго организованные матрицы.
Для тепловых потерь за счет теплопередачи через ограждающие конструкции помещений результатом применения матричного метода является выполнение построения матрицы трансмиссионных тепловых потерь Qтp.
Расчет удельной теплозащитной характеристики помещений здания
На основании формулы (2) становится возможным выражение величины удельной теплозащитной характеристики для каждого помещения здания - парциальной теплозащитной характеристики. Данную операцию удобно выполнять в матричном виде с применением величины удельной теплопередачи. Использование этой величины Нтр как суммы всех членов соответствующей матрицы позволяет для формулы (1) получить следующее выражение (4):
гмд 0 0 0 о 4 Нт (а л
0 о '2 0 0 НЩ>1 Отр1
0=АТН = х^тр тр 0 0 0 0 0 0 0 0 НтР1 - Отр} , (3)
0 0 0 0(гв Qmp¡ \ V
где (2тр - трансмиссионные потери теплоты через огражда-
ющие конструкции я-го помещения Вт; ^ и температуры
воздуха внутри помещения и снаружи соответственно, оС; Н^ - удельная теплопередача через ограждения я-го помещения, Вт/оС.
X
япр.,
0,и
=КГ.
. К _ ^тр ■ Лобщ у ' ' от
(4)
где - отапливаемый объем здания, м3.
Выражение, аналогичное выражению (4), для каждого помещения здания легко получить с помощью матричного аппарата. Введем матрицу парциальных теплозащитных характеристик каб (5):
Коб ~ Нтр
Уот
(и Л *1тр\ Нтр 2 ^тр з 1 _ (коеЛ коб2 коб^ 5 (5)
где Аъйи - парциальная теплозащитная характеристика я-го помещения здания, Вт/(м3-°С).
Сумма членов матрицы (5) является удельной теплозащитной характеристикой, нормируемой СП 50.13330.2012 в качестве комплексного требования к тепловой защите здания.
Очевидно, что при использовании матричного метода для расчета трансмиссионных тепловых потерь расчет удельной теплозащитной характеристики становится неким сопутствующим расчетом.
Сравнительный параметр тепловой защиты помещения
Кроме того, применение матриц позволяет выделить еще один параметр - местную теплозащитную характеристику Кмоб. Это отношение удельной теплопередачи ограждений помещения к объему этого помещения (6):
н„.
V
'от
V
от
V
от.
Нт
V
от.
(6)
где - отапливаемый объем я-го помещения здания, м3.
Составить необходимую матрицу можно с помощью выражения (7):
К„пЯ=¥л-Н=
о
о о
о
0
1
V
'от2
о о
Нщ Нщ
н.
Щ>Ъ
н
м.об-
кмлб
\ 'У
, (7)
*/
где к^ - местная теплозащитная характеристика помещения здания, Вт/(м3-оС); %т-1 - матрица величин, обратных
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
Результаты расчета теплозащитных характеристик
Номер Наименование помещения Объем, м3 H, Вт/(м3-оС) ko6, Вт/(м3-°С) котоб, Вт/(м3-°С)
1 Кв. 1 (комната) 52,9 8 0,00089 0,151
2 Кв. 1 (кухня) 28,3 6,2 0,00069 0,219
3 Кв. 1 (с/у) 10,1 0 0 0
4 Кв. 1 (холл) 13,4 0 0 0
5 Кв. 2 (комната 1) 52,9 7,7 0,00086 0,145
6 Кв. 2 (комната 2) 41,4 7,7 0,00086 0,185
7 Кв. 2 (кухня) 36,1 15,3 0,00171 0,425
8 Кв. 2 (с/у) 3,6 0 0 0
9 Кв. 2 (ванная) 7,3 0 0 0
1- 10 Кв. 2 (холл) 24,4 0 0 0
11 Кв. 3 (комната) 52,9 8 0,00089 0,151
о 12 Кв. 3 (кухня) 28,3 6,2 0,00069 0,219
о с 13 Кв. 3 (с/у) 10,1 0 0 0
1- 14 Кв. 3 (холл) 13,4 0 0 0
15 Кв. 4 (комната 1) 52,9 13,3 0,00148 0,251
16 Кв. 4 (комната 2) 41,4 12,2 0,00136 0,294
17 Кв. 4 (кухня) 36,1 15,3 0,00171 0,425
18 Кв. 4 (с/у) 3,6 0 0 0
19 Кв. 4 (ванная) 7,3 0 0 0
20 Кв. 4 (холл) 24,4 0 0 0
21 Холл общий 26,6 0 0 0
22 Холл при ЛЛУ 30,2 13,1 0,00145 0,432
2 (для здания в целом) 8983,8 1783,3 0,199 49,58
отапливаемым объемам соответствующих помещений, м3; Кмл6 - вектор-столбец местных теплозащитных характеристик помещений здания, Вт/(м3-°С).
Местная теплозащитная характеристика помещения является индикаторной величиной. Местная теплозащитная характеристика - это физическая величина, численно равная потерям тепловой энергии единицы отапливаемого объема в единицу времени при перепаде температуры в 1оС через теплозащитную оболочку рассматриваемого помещения. Данный параметр при учете внутренних ограждений может принимать отрицательные значения. В таком случае при составлении матриц для расчета трансмиссионной составляющей тепловых потерь и для наружных, и для внутренних ограждающих помещения конструкций будет учитываться перераспределение тепловых потоков (за счет собственно теплопередачи).
Величина местной теплозащитной характеристики необходима для корректной оценки предполагаемых тепловых потерь: энергетических и материальных затрат -жильцами квартир и арендаторами помещений. В случае применения индивидуального теплоснабжения и поквар-тирных систем отопления матричный метод становится единственным реальным инструментом расчета как мощ-ностных (в единицу времени), так и энергетических затрат на системы отопления при различных вариантах эксплуатации помещений здания.
Пример расчетов
Для наглядного представления рассмотренных характеристик выполнены необходимые расчеты рассмотренных
72016 ^^^^^^^^^^^^^
характеристик для типового жилого здания серии П-44/К. Результаты расчетов сведены в таблице, где величина парциальной теплозащитной характеристики помещения не зависит от объема этого помещения (см. помещения 15, 16, 17): энергетические потери обусловливаются именно теплозащитными свойствами ограждающих конструкций, а сама парциальная характеристика показывает долю вклада помещения в общие потери теплоты за счет теплопередачи относительно единицы заданного объема здания. Местная теплозащитная характеристика показывает зависимости и от теплотехнических характеристик конструкций, и от объема собственно помещения. Чем меньше объем помещения, тем больше необходимо сообщать теплоты помещению в пересчете на единицу объема этого помещения.
Теплозащитные характеристики показывают количественно оптимальность расположения данного помещения в здании с точки зрения тепловых потерь за счет теплопередачи и собственно качество ограждающих конструкций. Эти величины удобно использовать при локальном совершенствовании теплозащитной оболочки, особенно в условиях крайней нехватки материальных ресурсов на реализацию программ, направленных на повышение энергетической эффективности и энергосбережения.
Заключение
Накопление данных в области определения теплозащитных характеристик ведет к созданию ключевого параметра, способного на основании сравнения выразить качественный уровень принятых решений по тепловой защите с точки
- 13
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
зрения энергопотребления. Применение «больших данных» в этой области следует соотнести с передовыми научными работами [7-11] для поиска скрытых взаимосвязей и создания оптимизированного проектирования зданий.
Сравнение этих индикаторных величин между собой (для помещений одного здания либо для помещений различных зданий) позволяет определять оптимальные помещения с точки зрения энергетических затрат и выявлять
Список литературы
1. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.
2. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23.
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Неклюдов А.Ю. Учет теплопроводных включений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2016. № 2 (978). С. 57-61.
4. Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Учет теплотехнических не-однородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 3-7.
5. Gagarin V., Neklyudov A.Y. Improving the accuracy of the calculation of thermal capacity of heating systems when designing the buildings with high energy efficiency // International Journal for Housing Science and Its Applications. 2015. Т. 39. № 2. С. 79-87.
6. Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Использование матричного метода для определения вентиляционной составляющей тепловой нагрузки на систему отопления здания // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 7. С. 21-25.
7. Умнякова Н.П. Теплопередача через ограждающие конструкции с учетом коэффициентов излучения внутренних поверхностей помещения // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 14-17.
8. Пастушков П.П., Павленко Н.В., Коркина Е.В. Использование расчетного определения эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). С. 168-172.
9. Киселев И.Я. Влияние зависимости теплопроводности строительных материалов от температуры на сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций зданий // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31-2 (50). С. 42-45.
10. Шубин И.Л., Ананьев А.И. Теплозащитные свойства и воздухопроницаемость керамических блоков изотерекс в кладке стены // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 3. С. 57-59.
11. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I. Calculation of the velocity of air in the air gap facade systems, where natural ventilation // International Journal of Applied Engineering Research. V. 10, № 23 (2015), рр. 43438-43441.
«опасные» помещения с относительно повышенной долей трансмиссионных тепловых потерь. Таким образом, становится возможной местная проработка ограждающих конструкций зданий: локальное повышение теплозащитных свойств конструкций и точечное внедрение энергоэффективных технологий позволят существенно экономить инвестиции, направляемые на максимальную активизацию энергосбережения.
References
1. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Accounting for thermal inhomogeneities when evaluating the thermal performance of enclosing structures in Russia and European countries. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 14-16. (In Russian).
2. Umnjakova N.P., Butovskij I.N., Chebotarev A.G. The development of of rationing methods of thermal performance of energy-efficient buildings. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 19-23. (In Russian).
3. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Neklyudov A.Yu. Accounting of thermal inhomogeneities when determining the thermal load on the building heating system. BST: Bjulleten' stroitel'noj tehniki. 2016. No. 2 (978), pp. 57-61. (In Russian).
4. Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. Accounting of thermal bridges when determining the thermal load on the building heating system. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction].
2014. No. 6, pp. 3-7. (In Russian).
5. Gagarin V., Neklyudov A.Y. Improving the accuracy of the calculation of thermal capacity of heating systems when designing the buildings with high energy efficiency. International journal for housing science and its applications.
2015. V. 39. No. 2, pp. 79-87.
6. Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. Using of the matrix method to determine the ventilation component of heat load on the building heating system. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 7, pp. 21-25. (In Russian).
7. Umnjakova N.P. Heat transfer through the building envelope, taking into account the emission coefficients of internal surfaces of the room. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 14-17. (In Russian).
8. Pastushkov P.P., Pavlenko N.V., Korkina E.V. Using the calculated determination of the operational humidity of thermal insulation materials. Stroitel'stvo i rekonstrukcija. 2015. No. 4 (60), pp. 168-172. (In Russian).
9. Kiseljov I.Ja. Influence of the thermal conductivity of building materials depending on the temperature on the R-value of buildings. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Stroitel'stvo i arhitektura. 2013. No. 31-2 (50), pp. 42-45. (In Russian).
10. Shubin I.L., Anan'ev A.I. Thermal performance and air permeability of ceramic block izoteks in the masonry wall. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 3, pp. 57-59. (In Russian).
11. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I. Calculation of the velocity of air in the air gap facade systems, where natural ventilation. International Journal of Applied Engineering Research. V. 10, No. 23 (2015), pp. 43438-43441.
