Статья ВАК: Метод расчёта приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и нормативные значения величины

Введение

Приведённое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций традиционно является показателем, посредством которого государство регулирует тепловой комфорт и энергопотребление зданий. Дискуссии относительно нормативных значений этого показателя в основном касались уровня, до которого необходимо повышать (или не повышать) требования. Между тем разрыв между фактическими и расчётными значениями приведённого сопротивления теплопередаче, как показывает практика [1], существенно зависит от методики расчёта этой величины.

В Республике Беларусь установлены нормативные значения величины приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, которые являются самыми высокими среди стран СНГ при равных климатических условиях. Так, для новых жилых и общественных зданий нормативные значения приведённого сопротивления теплопередаче согласно ТКП 45–2.04-43-2006 [2] составляют: для наружных стен — 3,2 м²·°C/Вт, для окон — 1,0, для чердачных перекрытий (покрытий) — 6,0, для цокольных перекрытий — 1,85 м²·°C/Вт (по расчёту).

В настоящее время с целью повышения точности расчёта потерь теплоты и оценки теплозащитных показателей ограждений в Республике Беларусь корректируется методика расчёта приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (Изменение №9 ТКП 45–2.04-43-2006 [3]). При этом рассматривается три варианта методики расчёта: детальная, с применением справочных значений удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности и упрощённая.

Методика расчёта приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с применением справочных значений удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности разработана в Российской Федерации, принята в Республике Казахстан, Туркменистане и Украине (подобная методика). Расчёт по указанной методике предполагает использование национального Каталога удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности (например, СП 50.13330.2012 [4], СНТ 2.01.03–16 [5]) или справочных таблиц в стандартах ДБН В. 2.6–31:2006 [6].

Детальная методика расчёта предполагает использование индивидуальных значений удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности или традиционную методику с разбиением ограждений на отдельные участки-фрагменты с расчётом приведённого сопротивления теплопередаче каждого фрагмента [7]. Упрощённая методика расчёта распространяется на стены из кладочных материалов, перекрытия и сводится к сумме термических сопротивлений слоёв конструкций.

Методики расчёта величины приведённого сопротивления теплопередаче отличаются трудоёмкостью и точностью. Наиболее точными и наиболее трудоёмкими являются детальные методики, поскольку они реализуются с применением результатов расчёта температурных полей узлов (участков) ограждающих конструкций. Промежуточной по точности и трудоёмкости является методика с применением справочных значений удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности.

Наибольшая погрешность расчёта отличает упрощённую методику. В этой связи, для гарантированного достижения заданного значения приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен при упрощённой методике расчёта, нормативные значения приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций должны увеличиваться умножением на повышающий коэффициент К. Данный коэффициент определён как величина, обратная коэффициенту теплотехнической однородности r, по следующей формуле:

K = 1/r. (1)

С целью определения значения К для различных конструкций наружных стен были выполнены расчёты приведённого сопротивления теплопередаче детальным и упрощённым методами, коэффициентов теплотехнической однородности. Анализ полученных результатов представлен в настоящей статье.

Входными параметрами для расчёта приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен являются геометрические параметры и конструктивное решение.

Геометрические параметры наружных стен были приняты по жилым зданиям многоквартирной и одноквартирной планировки. Всего в анализе было использовано 31 жилое здание с современными планировочными решениями. Для каждого здания рассчитаны приведённое сопротивление теплопередаче наружных стен с применением метода удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности по формуле (2) и упрощённым методом по формуле (4):

здесь a_i — удельная площадь плоского участка конструкции i-го вида [м²/м²], приходящаяся на 1 м² всей ограждающей конструкции и определяемая по следующей формуле:

где A_i — площадь i-й части конструкции [м²] с приведённым сопротивлением теплопередаче R_0i; R_0i — сопротивление теплопередаче теплотехнически однородной части конструкции i-го вида [( м²·°C)/Вт], определяемое по формуле:

где α_в и α_н — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждения, соответственно, определяемые по разделу 5 ТКП 45–2.04-43-2006 [2]; R_к — термическое сопротивление теплопередаче теплотехнически однородной конструкции [( м²·°C)/Вт], определяемое по формуле:

R_к = R₁ + R₂ + … + R_n, (5) 

здесь R₁, R₂, …, R_n — термические сопротивления отдельных слоёв ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями [ м²·°C/Вт] и замкнутых воздушных прослоек R_n, принимаемые по приложению Б ТКП 45–2.04-43-2006 [2]; l_j — удельная протяжённость линейной теплотехнической неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м² всей ограждающей конструкции [м/м²], определяемая по формуле:

где L_j — протяжённость линейной теплотехнической неоднородности j-го вида, м; Ψ_j — удельные потери теплоты (коэффициент теплопередаче) линейной теплотехнической неоднородности j-го вида, Вт/(м·°C); n_k — количество объёмных теплотехнических неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м² всей ограждающей конструкции [шт/м²], определяемое по формуле:

где N_k — количество объёмных теплотехнических неоднородностей k-го вида; χ_k — удельные потери теплоты через объёмные теплотехнические неоднородности k-го вида, Вт/°C; n_m — количество точечных теплотехнических неоднородностей m-го вида, приходящихся на 1 м² всей ограждающей конструкции [шт/м²], определяемое по формуле:

где N_m — количество объёмных теплотехнических неоднородностей m-го вида; χ_m — удельные потери теплоты (коэффициент теплопередаче) через точечные теплотехнические неоднородности m-го вида, Вт/°C.

Удельные потери теплоты через теплотехнические неоднородности определяют по таблицам национального Каталога [8] или расчётом с использованием температурных полей узлов ограждений. Определение удельных потерь теплоты через линейные и точечные теплотехнические неоднородности выполняется аналогично методу СП 50.13330.2012 [4].

Удельные потери теплоты через объёмные теплотехнические неоднородности χ_k [Вт/°C] определяют по формуле:

здесь t_в и t_н — расчётные температуры внутреннего воздуха в помещении и наружного, соответственно; ΔQ_k^V — дополнительные потери теплоты [Вт] через объёмную теплотехническую неоднородность k-го вида:

где Q_k^V — потери теплоты [Вт] через ограждающую конструкцию с объёмной теплотехнической неоднородностью k-го вида, определяемые по результатам расчёта температурного поля; Q_k,i — потери теплоты [Вт] через i-й плоский теплотехнически однородный элемент объёмной теплотехнической неоднородности, вошедшей в расчётную область при расчёте температурного поля, определяемые по следующей формуле:

где t_в и t_н — то же, что и в формуле (9); R_0k,i — приведённое сопротивление теплопередаче плоского теплотехнически однородного элемента ограждающей конструкции i-го вида, ( м²·°C)/Вт; A_k,i — площадь плоского теплотехнически однородного элемента ограждающей конструкции i-го вида, вошедшей в расчётную область при расчёте температурного поля, м²; Ψ_k,j и l_k,j — удельные потери теплоты [Вт/(м·°C)] и длина [м] k-й линейной теплотехнической неоднородности, входящей в расчётную область температурного поля объёмной теплотехнической неоднородности, соответственно.

Здесь нужно отметить, что при определении Q_k^V  площадь ограждающей конструкции должна быть равна сумме площадей A_k,i однородных элементов, входящих в расчёт температурного поля.

В анализе рассмотрено 22 варианта конструкций наружных стен с применением стеновых блоков с наружным утеплением и защитным слоем лёгкой штукатурной системы утепления с расходом анкерных дюбелей без термозаглушки в количестве шести дюбелей на 1 м², а также четыре варианта стен однослойной конструкции. При выборе вариантов значений удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности анализируемых конструкций принимались предельные (максимальные — 200 мм и минимальные 100 мм) значения диапазона толщин утеплителя.

Коэффициенты теплопроводности материалов, используемые в расчёте, представлены в табл. 1, пример набора вариантов конструкций — в табл. 2.

На рис. 1 представлены средние и медианные значения коэффициента теплотехнической однородности для каждого варианта конструкции из табл. 2, диапазон изменения для рассмотренных зданий в виде стандартных отклонений (границы боксов), 5% и 95% перцентилей (границы отрезков). Как видно из рис. 1, теплотехническая однородность наружных стен меняется в большом диапазоне (от 0,46 до 1,0).

На рис. 2 представлен пример распределения значений коэффициента однородности r и соответствующих значений приведённого сопротивления теплопередаче Rпр для 31 здания конструкции наружных стен из керамзитобетонных блоков с наружным утеплением (вариант 2.2). При расчёте упрощённым методом сопротивление теплопередаче для всех вариантов составляет 8,33 м²·°C/Вт. Теплотехнические неоднородности конструкций стен привели к разбросу значений приведённого сопротивления теплопередаче в диапазоне значений от 4,8 до 6,5 м²·°C/Вт.

В табл. 3 представлены итоговые диапазоны изменения коэффициентов теплотехнической однородности наружных стен для выбранных объектов. Как видно из табл. 3, наибольшей теплотехнической неоднородностью обладают утеплённые снаружи стены, приведённое сопротивление теплопередаче которых может составлять до 46% от значения, полученного по формуле (4).

Принятые за основу значения коэффициентов теплотехнической однородности утеплённых снаружи стен близки к значениям 5% перцентиля выборки (95% значений выше указанного).

Для стен однослойной конструкции принятые за основу значения коэффициентов теплотехнической однородности близки к средним значениям. Это обусловлено тем, что утеплённые стены обладают меньшей однородностью и, следовательно, большей погрешностью при оценке их потерь теплоты.

Другим ориентиром для принятия решений были толщины теплоизоляционного материала на стенах, которые можно реализовать в стандартных технических решениях, и толщина стены для однослойных конструкций. Значения повышающих коэффициентов к нормам приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен в случае выбора упрощённой методики расчёта получены по формуле (1) и представлены в табл. 4. Для перекрытий повышающий коэффициент принят равным 1,1.

Заключение

Использование упрощённой методики расчёта приведённого сопротивления теплопередаче ограждений предполагается для предварительного анализа вариантов конструкций. Приведённые в статье результаты расчётов для различных вариантов исполнения наружных стен демонстрируют, что упрощённый метод расчёта может привести к значительным погрешностям в определении приведённого сопротивления теплопередаче.

Для обеспечения гарантированного достижения заданного значения приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен при упрощённой методике расчёта, нормативные значения приведённого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций должны увеличиваться умножением на повышающий коэффициент К.

Значения коэффициента рассчитаны для различных конструкций и степени утепления наружных стен.

Такой подход к выбору значения приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен в случае упрощённого расчёта мотивирует проектировщиков к использованию более точных методов расчёта.

Предполагается, что со временем, по мере освоения проектными организациями более точных методов расчёта приведённого сопротивления теплопередаче, упрощённый метод расчёта будет отменен.