Обоснование теплозащиты неоднородных ограждений

В соответствии с требованиями актуализированной редакции СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — Свод Правил СП 50.13330.2012 [1], оценка уровня теплозащиты оболочки здания осуществляется с учётом его удельной теплозащитной характеристики k_об, Вт/(м³·К). По определению, она равна отношению суммарных теплопотерь (за счёт теплопередачи через наружные ограждающие конструкции) к отапливаемому объёму здания V_от [м³] и к расчётной разности температур внутреннего и наружного воздуха, °C. Предельный уровень этой характеристики в работе [1] ограничивается нормируемой величиной k_об^тр, в зависимости от значения V_от и градусо-суток отопительного периода в районе строительства ГСОП, °С·сут/г. Впервые данная методика была изложена в работах [2-3].

Проведём расчёт k_об для здания филиала Центрального банка РФ в городе Перми для двух вариантов. В первом варианте возьмём сопротивления теплопередаче R_o^тр по данным табл. 3 [1] для вычисленного значения ГСОП, во втором — с допустимым снижением в указанных выше пределах, то есть считаем m_p = 0,63 для наружной стены и m_p = 0,8 — для покрытия.

Перекрытие над подвалом и заполнения светопроёмов в обоих случаях принимаем с m_p = 1, то есть сравниваем только базовый и пониженный уровень теплозащиты основных несветопрозрачных конструкций.

Площади ограждающих конструкций принимаем по строительным чертежам: А_нс = 1319 м² (наружная стена), А_пт и А_пл равны 1092 м² (покрытие и перекрытие над подвалом), А_ок = 222,6 м² (окна), а соответствующие коэффициенты положения принимаются n_i = 1 для всех ограждений, кроме пола над подвалом, где n = 0,6. Отапливаемый объём здания равен V_от = 23 193 м³.

Считаем среднюю температуру внутреннего воздуха в здании для расчёта системы отопления t_e = 18 °C по требованиям [4], среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период t_от = -5,5 °C, его продолжительность z_от = 225 суток по табл. 1 [5], тогда

ГСОП = (18 + 5,5) х 225 = 5288 °С·сут/год.

Результаты расчётов сводим в табл. 1.

Требуемая теплозащитная характеристика рассчитывается по формуле (5.5) из работы [1]:

для V_от > 960 м³, откуда в данном случае получается

Из расчёта видно, что оба варианта удовлетворяют требованию k_об ≤ k_об^тр, поэтому возможно их технико-экономическое сравнение.

Из табл. 1 и 2 следует, что повышение уровня теплозащиты приводит к ухудшению эффективности использования теплоизоляции из-за того, что увеличивается относительный вклад дополнительных теплопотерь через точечные и линейные элементы стены, определяемый только её геометрией и конструкцией

Однако при расчёте объёма теплоизоляции необходимо учесть, что в соответствии с положениями Приложения Е [1] предлагается определять удельные потери теплоты через линейную теплотехническую неоднородность Ψ_j [Вт/(м·К)] и через точечную неоднородность χ_k [Вт/К] по результатам расчёта двухмерного температурного поля узла конструкций:

где t_в и t_н — температуры внутреннего и наружного воздуха, °C; ΔQ_j^L — дополнительные потери теплоты [Вт/м] через линейную теплотехническую неоднородность j-го вида, приходящиеся на 1 п.м.; ΔQ_k^K — дополнительные потери теплоты [Вт] через точечную теплотехническую неоднородность k-го вида, определяемые по формуле:

где Q_k — потери теплоты [Вт] через узел, содержащий точечную теплотехническую неоднородность k-го вида, являющиеся результатом расчёта температурного поля; Q^~_k — потери теплоты [Вт] через тот же узел, не содержащий точечную теплотехническую неоднородность k-го вида, являющиеся результатом расчёта температурного поля. Аналогичным образом определяется и величина ΔQ_j^L.

В этом случае требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя можно вычислить по выражению:

где α_в и α_н — это коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·К), причём для наружной стены по [1] можно принимать величины α_в = 8,7 и α_н = 23 Вт/(м²·К); параметр U_тр [Вт/(м²·К)] представляет собой требуемое значение удельного теплового потока по глади конструкции без учёта теплопроводных включений, исходя из обеспечения необходимой величины приведённого сопротивления теплопередаче R_о^пр [м²·К/Вт], который вычисляется через значения Ψ_j и χ_k, а также количество соответствующих неоднородностей, приходящееся на единицу площади конструкции; величина ΣR_к.i — это суммарное термическое сопротивление всех слоёв однородной части фрагмента конструкции [м²·К/Вт], кроме теплоизоляционного, при этом для каждого слоя R_i = δ_i/λ_i, где δ_i [м] и λ_i [Вт/(м·К)] — толщина и теплопроводность материала i-го слоя, соответственно.

Принимая R_о^пр отдельно для каждого варианта из табл. 1, а количество теплотехнических неоднородностей по строительным чертежам здания, расчёт в целом можно оформить в виде табл. 2.

Легко видеть, что в первом варианте величина r заметно меньше. Таким образом, повышение уровня теплозащиты приводит к ухудшению эффективности использования теплоизоляции из-за того, что увеличивается относительный вклад дополнительных теплопотерь через точечные и линейные элементы стены, определяемый только её геометрией и конструкцией.

Поэтому общий объём теплоизоляции в первом случае будет больше не только вследствие роста R_о^пр, но и по причине уменьшения параметра r.

Принимаем коэффициенты теплотехнической однородности для стены гнс в каждом варианте по табл. 2, а для покрытия и перекрытия над подвалом возьмём ориентировочно r_пт = r_пл = 0,95.

Капитальные затраты на теплоизоляцию К_ти [руб.] в каждом варианте рассчитываются исходя из объёма теплоизоляционного материала в конструкциях V_ти [м³], определяемого с учётом величины l_ут и его стоимости С_ти, руб/м³. В рассматриваемом примере принимаем λ_ут. = 0,064 Вт/(м·К) и С_ти = 2600 руб/м³ по среднерыночным ценам 2015-го года. Принимаем также стоимость тепловой энергии по данным ОАО «МОЭК» для нежилых зданий С_т = 1720,9 руб/Гкал.

Коэффициент учёта дополнительных теплопотерь β = 1,13 для общественного протяжённого здания из Приложения Г [1]. Расчётный срок эксплуатации здания Т_ам = 50 лет. В данном случае разницей в расходе электроэнергии на системы отопления и в заработной плате рабочих можно пренебречь, поэтому годовые эксплуатационные затраты можно считать как Э = Э_ам + Э_т.от (только амортизационные отчисления и тепловая энергия), руб/год.

Все вычисления сводим в табл. 3. Вычисляем совокупные дисконтированные затраты (СДЗ) [6-8]:

где р — норма дисконта, при вычислениях принятая в размере 10 % годовых по рекомендации [8]. По полученным данным строим графики СДЗ для каждого из вариантов (рис. 1). Легко видеть, что графики СДЗ не пересекаются, что свидетельствует об отсутствии окупаемости дополнительных капитальных затрат на доведение теплозащиты наружных стен и покрытия до базового уровня.

В отличие от результатов аналогичной работы [9], выполненной для другого объекта при иных условиях, в данном случае повышение теплозащиты наружных стен и покрытия от минимально допустимого уровня до базового является экономически неоправданным. Это можно объяснить менее удачными объёмно-планировочными решениями здания

Таким образом, в отличие, например, от результатов аналогичной работы [9], выполненной для другого объекта (здания таможенного управления в Санкт-Петербурге) при несколько иных условиях, в данном случае повышение теплозащиты наружных стен и покрытия от минимально допустимого уровня до базового является экономически неоправданным.

По-видимому, это можно объяснить менее удачными объёмно-планировочными решениями здания, что выражается, в частности, в низком коэффициенте остекления (порядка 0,14), что повышает долю несветопрозрачных ограждений в общей теплотеряющей площади, а также увеличением стоимости теплоизоляционного материала.

Поэтому для дальнейшей разработки принимаем второй вариант теплозащиты с уменьшенными значениями R_j.