Этап 1. Энергетический анализ систем обеспечения микроклимата на примере зданий больниц - читать в журнале СОК №10 | 2023 (стр. 50-55)

Этап 2. Анализ строительных конструкций зданий

В России нормируемые величины термического сопротивления ограждающих конструкций зданий определяются по СП 50.13330.2012 [2] в зависимости от градусо-суток отопительного периода в районе строительства (табл. 1). В Германии также существуют подобные требования, которые приводятся в «Законе об энергопотреблении зданий» (Gebäudeenergiegesetz, GEG), табл. 2.

Чтобы сравнить требования к ограждающим конструкциям зданий в России и Германии, нам нужно привести их к некоторому единообразию. Во-первых, в Германии нет зависимости нормирования теплопроводности стен от градусо-суток отопительного периода. Германия — страна географически относительно небольшая, и климат в разных её городах не сильно отличается друг от друга. В России ситуация абсолютно другая, поэтому вполне логично, что для разных регионов страны требуется разное термическое сопротивление ограждающих конструкций. Во-вторых, в Германии в соответствующем нормативном документе [3] приводятся требования к коэффициенту теплопроводности, а в России — к термическому сопротивлению ограждающих конструкций.

Вернёмся к расчёту градусо-суток отопительного периода по российской методике для городов Германии. Согласно СП 50 [2], градусо-сутки отопительного периода [°C·сут/год] определяют как:

ГСОП = (Tв — Tот)Zот,

где Tв — расчётная температура внутреннего воздуха здания, °C; Tот — средняя температура наружного воздуха, °C; Zот — продолжительность отопительного периода, сут/год. Причём Tот и Zот принимаются по СП 50 [2] для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более +8°C, а при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых — не более +10°C.

Сравним два максимально отличающихся немецких города по климату, один из которых располагается на севере Германии (Киль, региональный центр земли Шлезвиг-Гольштейн), второй — на юге Германии (Мюнхен, региональный центр земли Бавария), табл. 3.

Итак, мы видим, что применительно к табл. 1 немецкие города принадлежат к диапазону от 2000 до 4000 градусо-суток отопительного периода. Поэтому мы можем составить сравнительную табл. 4 с требуемыми характеристиками теплопроводности ограждающих конструкций.

В целом можно отметить, что требования к термическому сопротивлению ограждающих конструкций в Германии примерно в полтора-два раза выше, чем в России при сходных величинах градусо-суток отопительного периода.

Интересно, что для расчёта энергопотребления зданий в Германии также используют понятие «градусо-сутки отопительного периода», называемые по-немецки Gradtagzahl für die Heizzeit («градусодни отопительного сезона»), но рассчитывают их по-другому. Считается, что отопительный период в Германии начинается не при +8°C, как в России, а уже при +15°C температуры наружного воздуха. Вследствие этого общее количество градусо-суток получается больше, чем при аналогичных условиях в России.

Мы подошли непосредственно к оценке ограждающих конструкций тестируемых зданий. Для автоматизации процесса энергетического анализа жилых и нежилых зданий в Германии используют множество компьютерных программ. Автор пользовался программой Hottgenroth Energieberater 185993D Plus (рис. 1). Использование программы позволяет не только производить быструю оценку существующего здания (Ist Zustand), но и практически мгновенно вычислять новые характеристики здания при изменении теплоизоляции стен, конструкции окон, утепления кровли и т. д. Несомненным плюсом является объёмное трёхмерное представление объекта, где визуально видно, что и где находится в здании.


Рис. 1. Интерфейс программы 3D-моделирования зданий

Рассмотрим подробнее этапы процесса энергетической оценки зданий с помощью программы Energieberater 185993D Plus.

1. Создание 3D-модели ограждающих конструкций здания

Для того чтобы оценить здание, нам необходимо сначала его создать — точнее создать его электронную копию. Программа предлагает два варианта создания электронного образа зданий: с помощью электронного ассистента (самый быстрый вариант, но его, как правило, можно использовать только для строений относительно простых конструкций) и ручной способ, который подходит для всех остальных зданий. Также программа просит указать дополнительные данные: место расположения здания, его тип (жилое или нежилое), новое или реконструируемое здание. Интересно, что после ввода года строительства или реконструкции здания программа сама просчитывает существующие в тот период требования к утеплению ограждающих конструкций и автоматически предлагает их для ускорения дальнейших расчётов.

Как правило, для создания 3D-модели здания требуются поэтажные планы, которые могут быть использованы в виде форматов PDF или DWG. Однако программа «видит» даже простые фотографии в формате JPEG.

После загрузки поэтажных планов мы измеряем любой выбранный отрезок и устанавливаем масштаб. Далее ориентируем план по сторонам света. Это понадобится в дальнейшем для расчёта солнечной радиации и затенения здания.

Внешние стены здания играют важнейшую роль для оценки теплопотерь. Поэтому на данном этапе необходимо тщательно обозначить их контуры по загруженным планам и толщину. В процессе прорисовки программа подсказывает узловые точки и подстраивается под основной чертёж.

Окна и наружные двери обладают минимальным термическим сопротивлением, и их правильный расчёт очень важен. Программа частично «видит» оконные проёмы и предлагает вариант их расположения. Но, как правило, необходимо корректировать их габариты.

Таким образом, этаж за этажом, мы создаём полную модель здания. Если этажи типовые, то это сильно ускоряет процесс, поскольку этажи в программе можно просто копировать.

В конце программа предложит несколько вариантов кровли на выбор. Вот тут лично для меня был самый сложный этап, поскольку крыши старых зданий в Германии являются просто произведением искусства и очень сложны по конструкции. Создание похожей 3D-модели кровли занимало зачастую больше времени, чем всё остальное здание в целом (рис. 2). Принцип создания модели сложной кровли основывался на поэтапном создании всех плоскостей и привязке их к границам здания и друг другу. Хотя простые кровли с небольшим количеством плоскостей (до шести) программа создаёт автоматически.


Рис. 2. Пример сложной крыши здания с мансардными окнами, несколькими уровнями и частично из стекла (здание слева), в сравнении с современными немецким зданием (справа)


Рис. 3. Создание сложной 3D-модели кровли в программе Hottgenroth

2. Зонирование помещений

В соответствии с DIN 18599 для правильного расчёта теплопотерь нежилого здания нам необходимо его разделить по группам помещений с одинаковым режимом эксплуатации. Какие параметры влияют на теплопотери помещений?

Во-первых, это температура внутреннего воздуха. Для различных помещений больниц используется различная температура в соответствии с требованиями нормативной документации либо уникальных условий эксплуатации. Для соответствующих помещений больниц используемую температуру можно увидеть в табл. 5. Во-вторых, нам важно знать режим использования помещений. Например, если операции проводятся только в дневное время в рабочие дни, то нет необходимости поддерживать тепловой режим круглые сутки 365 дней в году. Режим использования помещений указывается больницей. В период отсутствия технологического процесса выключается освещение, снижается воздухообмен, уменьшается температура внутреннего воздуха до +12°C в зимний период или отключается охлаждение в летний.

3. Выбор типа ограждающих конструкций

Программа предлагает готовые стандартные конструкции наружных и внутренних стен, окон и балконных дверей, перекрытий и наружных дверей. Причём наша задача состоит в том, чтобы максимально близко подобрать моделируемые конструкции здания к реально существующим. Конечно, на 100% это сделать не удаётся, так как часто нет строительной документации, особенно на старые здания. А на месте понять конструкцию наружной стены или тип используемого стекла в окнах очень сложно. Тут на помощь приходит электронный ассистент, который по году строительства и типу конструкции предлагает подходящие варианты.

Главной характеристикой наружных стен является толщина, которую мы берём с планов здания или измеряем по месту. Далее по толщине несущей стены и толщине изоляции выбираем соответствующую стандартную конструкцию (рис. 4).


Рис. 4. Выбор ограждающих конструкций в программе Hottgenroth

Причём мы можем сразу задать одинаковые характеристики для всех наружных стен здания или сделать различные стены для разных фасадов, или применить поэтажное разделение.

Что касается выбора изоляции для наружных стен, лично я был удивлён, когда увидел варианты не только с внешней изоляцией наружных стен, но и с внутренней. На практике я встречал в Германии только внешнюю теплоизоляцию на реальных зданиях. Но программа также предлагает вариант с внутренней. Мне хотелось бы отметить, что внутренняя теплоизоляция наружных стен сдвигает точку росы внутрь теплоизоляционного слоя, потому такие паропроницаемые материалы, как каменная вата или стекловата, однозначно применять в таком варианте нельзя. Это приведёт к намоканию теплоизоляции, потере теплоизоляционных свойств и появлению плесени. Но в теории применение паронепроницаемых материалов для внутренней теплоизоляции допускается.

4. Светопрозрачные конструкции

Если мы посмотрим на табл. 2, то становится понятно, что через окна идёт основной путь теплопотерь здания. Теплопроводность окон примерно в пять раз больше, чем теплопроводность наружных стен. Поэтому мероприятия по снижению теплопроводности окон становятся важнейшими для улучшения теплозащиты.

В Германии одинарное остекление применялось вплоть до 1950 года (рис. 5). Теплопроводность одинарного остекления составляла около 6 Вт/( м²·K). Послевоенное восстановление страны характеризовалось переходом от одинарного остекления к двойному в период 1950–1980 годов. Энергетический кризис 1970-х годов резко увеличил стоимость мазутного топлива, массово применявшегося для отопления в Германии в тот период. Это подтолкнуло исследования в области энергосбережения, а именно разработку специальных теплосберегающих покрытий для оконных стёкол и использование не обычного воздуха для заполнения, а инертного газа, а также многокамерных конструкций оконных рам. И, наконец, с 1990-х годов начался массовый переход на двухкамерные конструкции с тройным остеклением. Коэффициент теплопроводности современных окон в Германии составляет около 0,6 Вт/( м²·K).


Рис. 5. Развитие оконных конструкций в Германии

Результаты анализа ограждающих конструкций исследуемого здания

Кровельное перекрытие

Кровельное перекрытие рассматриваемого здания выполнено из железобетонных пустотных плит толщиной 18 см. Со стороны помещения плиты покрыты гипсовой штукатуркой толщиной 1 см. С наружной стороны для теплоизоляции уложены плиты пенополистирола толщиной 10 см. Далее идёт гидроизолирующий слой битумного покрытия 1 см. И для защиты от механических повреждений и перегрева в летний период уложен слой мелкой гальки 10 см (табл. 6).

Таким образом, расчёт теплопроводности кровельного перекрытия показал величину 0,341 Вт/( м²·K), что значительно больше требуемого согласно немецкому законодательству (GEG 2023) значения 0,2 Вт/( м²·K). Учитывая тот факт, что срок эксплуатации здания составляет около 30 лет, характеристики теплоизоляционного слоя однозначно ухудшились, а следовательно, теплопотери на самом деле стали больше расчётных.

Наружные стены

Наружные стены выполнены из монолитных бетонных плит толщиной 16 см. Для теплоизоляции используется пенополистирол толщиной 10 см. Облицовка здания выполнена цементным покрытием толщиной 3,5 см (табл. 7).

Расчёт теплопроводности наружных стен показал величину 0,27 Вт/( м²·K), что меньше требуемого согласно GEG 2023 значения 0,28 Вт/( м²·K). Однако срок эксплуатации здания составляет около 30 лет, характеристики теплоизоляционного слоя однозначно ухудшились, а следовательно, теплопотери наружных стен на самом деле стали больше расчётных.

Светопрозрачные конструкции

В здании применяются окна и стеклянные двери с двойным остеклением. Конкретные характеристики применяемых окон найти не удалось, однако, судя по году строительства здания (1993) и применяемым типам оконного остекления, в тот период предположительный коэффициент теплопроводности окон составляет 2,8 Вт/( м²·K), что значительно больше требуемого согласно GEG 2023 значения 1,3 Вт/( м²·K). Теплозащитные характеристики существующих ограждающих конструкций здания и нормативные требования приведены в табл. 8.

Примечания:

Общая оценка здания основана на годовой потребности в первичной энергии на 1 м² чистой площади и коэффициентах теплопередачи (средние значения).

Максимальное значение годовой потребности в первичной энергии, исходя из чистой площади строящихся нежилых зданий, определяется на основе годовой потребности в первичной энергии эталонного здания того же размера. Основные потребности в энергии включают отопление, вентиляцию, охлаждение, освещение и приготовление горячей воды. Максимальные значения средних коэффициентов теплопередачи теплопередающей прилегающей территории указаны в GEG 2023 (Приложение 3).

Для модернизированных старых зданий максимальное значение годовой потребности в первичной энергии, исходя из чистой площади, может превышать максимальное значение для эталонного здания, а максимальные значения средних коэффициентов теплопередачи теплопередающей прилегающей территории могут превышать максимальные значения для нового здания с учётом коэффициента максимум на 40%, в соответствии с п. 1.2 параграфа 50 GEG 2023.

Итоговые мероприятия и рекомендации

Итак, в результате обследования ограждающих конструкций здания было выяснено следующее.

1. Наружные стены обладают расчётным значением теплопередачи 0,27 Вт/( м²·K), что не превышает требуемое согласно GEG 2023 значение 0,28 Вт/( м²·K). Однако состояние теплоизолирующего слоя за 30 лет эксплуатации однозначно ухудшилось, поэтому фактические значения теплопередачи больше.

Рекомендовано: демонтировать старый теплоизоляционный слой и установить новую теплоизоляцию здания для получения коэффициента теплопроводности максимум 0,28 Вт/( м²·K).

2. Кровельное перекрытие обладает расчётным значением теплопередачи 0,34 Вт/( м²·K), что превышает требуемое согласно GEG2023 значение 0,2 Вт/( м²·K).

Рекомендовано: демонтировать старый теплоизоляционный слой и установить новую теплоизоляцию здания для получения коэффициента теплопроводности максимум 0,2 Вт/( м²·K).

3. Светопрозрачные конструкции обладают расчётным значением теплопередачи 2,8 Вт/( м²·K), что превышает требуемое согласно GEG 2023 значение 1,3 Вт/( м²·K).

Рекомендовано: демонтировать старые окна и двери и установить новые для получения коэффициента теплопроводности максимум 1,3 Вт/( м²·K).