Статья ВАК: Сравнение нагрузок на отопление жилых, общественных и производственных зданий

Нормы теплозащиты жилых, общественных и производственных зданий в нашей стране в 2000-х годах были резко повышены. Нормирование по условиям энергосбережения оставило далеко позади сопротивления теплопередаче, требуемые по санитарно-гигиеническим соображениям. Риск выпадения конденсата на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций при средней (нормируемой?) по площади температуре этой поверхности исключён (речь не идёт о локальных узлах). Однако различные уровни норм теплозащиты жилых, общественных и производственных зданий остались, как при нормировании по санитарно-гигиеническим условиям.

Разумеется, нормы теплозащиты диктуются не только теплотехническими соображениями. Они значимо влияют на экономику страны. С одной стороны, повышение уровня теплозащиты увеличивает капитальные затраты на строительство, с другой — снижает расход топлива на отопление, мощность и стоимость инженерных систем, обслуживающих здание, а также плату на присоединение к теплоснабжающим сетям [1].

В статьях, посвящённых теплозащите зданий, вышедших в последние годы, обсуждается масса проблем. Рассмотрены современные подходы к проблеме энергосбережения и обеспечения комфортных условий жизнедеятельности [2]. Проблема энергоэффективности и энергосбережения включает в себя несколько подходов к сокращению затрат ресурсов в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: архитектурно-строительные решения, использование возобновляемых источников энергии, оптимизация систем обеспечения микроклимата [3, 4].

Влияние социального аспекта на затраты теплоты на отопление жилого здания отмечено в статье [5]. В ней указывается на важность учёта плотности заселения квартир для правильной оценки необходимого расхода воздуха на вентиляцию помещений. Авторы [6, 7] считают, что важнейшей составляющей решения задачи повышения энергетической эффективности зданий является совершенствование нормативно-технической документации в области теплотехнического расчёта в современном домостроении. Ими предложено для повышения энергетической эффективности зданий при реконструкции применять мероприятия, направленные на увеличение эффекта от потребления топливно-энергетических ресурсов [8, 9].

Важность учёта климатического фактора, причём круглогодичного, в выборе уровня теплозащиты отмечается в [10]. Предлагается добиваться сокращения теплопотребления в реконструируемых домах путём замены старых окон на современные оконные конструкции с обязательным недопущением нарушения температурно-влажностного режима на границе оконного откоса и собственно конструкции окна [11, 12, 13] и/или путём наружного утепления стен современными минераловатными утеплителями [14]. Большое внимание уделяется выбору экономически целесообразной теплозащиты [1, 15].

Но со времени повышения норм нам не встретилось ни одной публикации, обосновывающей необходимость различных требований к теплозащите зданий различного функционального назначения по условиям энергосбережения. Неясна и роль сниженной теплозащиты производственных зданий в формировании стоимости продукции, изготавливаемой в этих зданиях, особенно в условиях постоянного повышения стоимости топлива. Целью настоящей статьи является выяснение влияния уровня теплозащиты на отопительную нагрузку в различных российских климатических условиях, то есть подготовка данных для последующего экономического исследования. Для достижения поставленной цели были определены расчётные теплопотери (отопительная нагрузка) и затраты теплоты в год на отопление пятиэтажных строений, теплозащита и тепловой режим в которых соответствуют нормативам для жилого, общественного и производственного зданий.

Долгое время в нормативных документах РФ не освещалась методика расчёта тепловых нагрузок на системы отопления и вентиляции. Последний раз она нормировалась в СНиП 2.04.05–91, а начиная с 1 января 2004 года, когда был введён в действие СНиП 41-01-2003, все пользовались методикой предыдущего СНиП.

Первый раз после долгого отсутствия методика появилась в Приложении Г СП 60.13330.2016 (с Изменением №1, далее — СП 60), утверждённого приказом Минстроя России от 22 января 2019 года №24/пр. Следует уточнить, что постановлением Правительства РФ от 4 июля 2020 года №985, появившегося позже введения Изменения №1 СП 60, Приложение Г не внесено в «перечень национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил)», обязательных для применения. Впоследствии та же версия методики повторена в Проекте СП 60. Однако, поскольку она не признана обязательной, абсолютное большинство проектировщиков используют методику СНиП 2.04.05–91, повторённую в основном в МГСН 3.01–01 «Жилые здания» (Московские городские строительные нормы). Предлагаемая статья касается расчётных теплопотерь и расходов теплоты на отопление. Поэтому уместно обсудить новшества методики СП 60.13330.2020 и методики, по которым выполнялся расчёт в статье.

Сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций в расчётах, результаты которых приводятся в статье, приняты по значениям сопротивлений теплопередаче, требуемых табл. 3 СП 50.13330.2012 (с Изм. №1). В данном материале считается, что все неоднородности в ограждающих конструкциях уже учтены.

Автор методики расчёта теплопотерь СП 60 [16] предлагает вести расчёт с учётом линейных и точечных неоднородностей в ограждающих конструкциях каждого отдельного помещения. Однако это предложение натыкается на сложности организации проектирования в России. Теплопотери рассчитывают специалисты по отоплению, которые не выполняют теплотехнический расчёт ограждающих конструкций. Постановлением Правительства РФ от 16 февраля 2008 года №87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» теплозащиту зданий поручается выполнять архитекторам и конструкторам. Постановление утверждает, что раздел 4 проекта «Конструктивные и объёмно-планировочные решения» должен содержать: «л) обоснование проектных решений и мероприятий, обеспечивающих: соблюдение требуемых теплозащитных характеристик ограждающих конструкций».

Но, как известно, научная дисциплина, изучающая процессы теплопередачи, — вовсе не «любимый конёк» архитекторов и конструкторов. Выполнить требование могли бы специалисты по разделу «Энергоэффективность», но они делают теплотехнический расчёт ограждающих конструкций по всему зданию в целом и, как правило, в тот момент, когда теплопотери уже давно рассчитаны.

Новацией методики СП 60 является полное упразднение добавочных теплопотерь, в том числе на ориентацию и на угловые помещения. Отказ от учёта разной нагрузки в различно ориентированных по сторонам света помещениях обоснован двумя соображениями. Во-первых, конвективная часть теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции нормами заведомо завышена принятием высокой величины её коэффициента теплоотдачи на уровне 23 Вт/( м²·°C).

В то же время известные автору методики [16] натурные исследования отмечают более низкие значения. Во-вторых, меньшее облучение солнцем наружных поверхностей северной ориентации, приводящее к большей эксплуатационной влажности строительных материалов за этими поверхностями, компенсировано довольно высокой эксплуатационной влажностью при нормировании величины теплопроводности строительных материалов в СП 50.13330.2012. Однако добавка на ориентацию учитывала не вообще повышенную влажность, а повышенную на северных ориентациях за счёт не только меньшего прогрева их солнцем, но и за счёт более холодных северных ветров [17].

Добавка на угол упразднена вследствие учёта линейной теплотехнической неоднородности, вносимой изгибом наружной стены. В то же время в [16] признается, что этот учёт не компенсирует перевод обмера наружных ограждений с наружного на внутренний. Факт снижения радиационной температуры угловых комнат предлагается учитывать не добавкой к основным теплопотерям, а увеличением температуры воздуха угловой комнаты на 2°C, как это довольно давно делалось для жилых зданий. Только в методике СП 60 это не нормируется ни для жилых, ни для других зданий с иной функциональностью. Без учёта снижения радиационной температуры на границе обслуживаемой зоны помещения упразднение этой добавки некорректно [17, 18].

Теплота, требующаяся на нагрев наружного воздуха, врывающегося через входные наружные двери, в методике СП 60 учтена расчётом инфильтрационных теплопотерь. То, что методика расчёта нагрузки на нагревание врывающегося в здание наружного воздуха согласована с методикой расчёта расхода теплоты на эти цели за отопительный сезон, хорошо. Однако для расчёта нужны справочные данные о сопротивлении воздухопроницанию входных дверей: одинарных, двойных, тройных с тамбурами и без. Эти сопротивления в разделе проекта «Энергоэффективность» обычно принимаются в диапазоне 0,12–0,16 м²·ч/кг при разности давлений 10 Па. Но откуда эти оценки взялись, никто сказать не может.

Рассматриваемое в статье пятиэтажное здание имеет размеры 29,78×11,98 м, с высотой этажа от пола до пола 3,2 м. Чердак и подвал неотапливаемые. Высота этажа в жилых, общественных и производственных зданиях может быть различной, а холодные чердаки в современном строительстве применяется всё реже. Однако для единообразия исходных данных для зданий различного функционального назначения эти позиции приняты одинаковыми, при допущении, что на результат расчётов при поставленной цели эти мелкие несоответствия не окажут значимого влияния. Высота вентиляционной шахты над чердачным перекрытием — 3,9 м. Ориентация по сторонам света и площади их наружных ограждающих конструкций следующие: выходящих на северо-восток наружных стен — 363,2 м², окон — 108, входных дверей — 5,28; выходящих на юго-восток и северо-запад наружных стен — 169,18, окон — 22,5; выходящих на юго-запад наружных стен — 363,2, окон — 112,5 м². Перекрытия над подвалом и чердачные перекрытия имеют площадь 325,6 м².

Температура внутреннего воздуха основных помещений во всех зданиях принята одинаковой — 20°C, а жилых комнат в городах Улан-Удэ и Воркуте — 21°C. В этих городах температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 ниже −31°C. В угловых комнатах жилых домов в соответствии с МГСН 3.01–01 температура внутреннего воздуха считается на 2°C выше температуры рядовых комнат. А в общественных и производственных помещениях применена добавка 5% к основным теплопотерям каждого вертикального ограждения помещения.

В соответствии с ГОСТ 30494 в кухнях жилых зданий задана температура 18°C, а на лестничных клетках — 14°C. На лестничных клетках общественных и производственных зданий принята величина температуры 16°C.

В табл. 1 приведены использованные в расчётах показатели отопительного периода городов, для которых определялась отопительная нагрузка и расходы теплоты на отопление в представленных выше зданиях. Далее в табл. 1 города поставлены по убыванию расчётной температуры наружного воздуха для отопления (наиболее низкая — последняя). На отопительную нагрузку влияет не только разность внутренней и наружной температуры, но и скорость ветра. В рассматриваемых городах температура наиболее холодной пятидневки имеет значение в пределах от −2 до −41°C. Расчётная скорость ветра тоже изменяется в широких пределах — от 2 до 10,1 м/с. Есть города с сочетанием низкой расчётной температуры и высокой расчётной скорости ветра (Воркута), а есть населённые пункты, в которых не самая низкая расчётная температура наружного воздуха сочетается с довольно высоким расчётным ветром (Феодосия).

Следует обратить внимание на то, что порядок городов по убыванию числа градусо-суток (ГСОП) отопительного периода не следует за порядком по убыванию средней температуры наиболее холодной пятидневки и даже средней температуры отопительного периода, так как свою роль играет ещё и продолжительность отопительного периода.

Для строения определённого функционального назначения требуемое сопротивление теплопередаче каждой ограждающей конструкции, кроме входной двери в здание, зависит только от величины ГСОП. Для входных дверей в здание определяющей является температура наиболее холодной пятидневки. В табл. 2 приведены сопротивления теплопередаче всех наружных ограждающих конструкций, а также сопротивления окон воздухопроницанию.

Последние для жилых и общественных зданий равны потому, что нормируемая поперечная воздухопроницаемость окон в пластиковых или алюминиевых переплётах для зданий обоих назначений ограничена сверху одной и той же величиной — 5 кг/( м²·ч). Для производственных зданий ограничение составляет 8 кг/( м²·ч). Поэтому требуемое сопротивление воздухопроницанию окон в производственных зданиях значительно ниже. Сопротивления воздухопроницанию входных дверей зданий всех функциональных назначений заданы на уровне 0,16 м²∙ч/кг при разности наружного и внутреннего давлений воздуха 10 Па.

Отметим, что сопротивления теплопередаче всех ограждающих конструкций, кроме окон и входных дверей, последовательно снижаются от жилых зданий к производственным, причём значительно. Нормы теплозащиты массивных наружных ограждающих конструкций не менялись с 2000-х годов. Однако логика соотношений этих норм для зданий разного функционального назначения, для различных градаций ГСОП и для различных ограждающих конструкций или не была опубликована никогда, или «затерялась в веках». А она должна быть опубликована в учебниках, так как вузы должны готовить не ремесленников, а инженеров.

Сопротивления теплопередаче входных дверей в жилых зданиях больше, чем в общественных, что обусловлено стоящими в знаменателе при их расчёте значениями нормируемого температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности наружной стены. В жилых зданиях это значение равно 4°C, а в общественных составляет 4,5°C. Разные требования к температуре на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций в жилых и общественных зданиях не вызывают возражений.

Неприятие здесь вызывает то, что коренной переработке норм теплозащиты зданий подверглись подходы к нормированию теплозащиты только ограждения одного назначения — окон. Что касается окон, то их сопротивления теплопередаче для жилых и общественных зданий после переработки норм равны.

Разные нормы теплозащиты для зданий различного назначения могут явиться препятствием при перепрофилировании функционального назначения здания, которое иногда требуется.

* По СП 60. ** По СНиП 2.04.05–91.

В табл. 3 представлены расчётные теплопотери зданий через каждую ограждающую конструкцию. Отличие трансмиссионных теплопотерь через окна жилых и общественных зданий объясняется более низкой температурой внутреннего воздуха на кухнях.

Интересно, что, несмотря на значительное расхождение в расчётных значениях температуры наружного воздуха, расчётные трансмиссионные теплопотери через наружные стены, перекрытия над неотапливаемыми подвалами и чердачные перекрытия в Магадане меньше не только чем в Москве, но и в Феодосии. Такое положение объясняется соотношением требуемых сопротивлений теплопередаче одноименных ограждений, выбранных по ГСОП в разных городах.

Расчётная скорость ветра тоже играет заметную роль в формировании потребности в теплоте на нагревание инфильтрационного воздуха, проникающего через окна. Например, в Феодосии эти теплопотери значительнее, чем в Улан-Удэ.

Методики СНиП 2.04.05–91 и СП 60 расчёта затрат теплоты на нагревание воздуха, проникающего в помещения через неплотности в окнах, одинаковы. Инфильтрационные теплопотери через входные в здание двойные двери с тамбуром (на нагрев врывающегося в здание воздуха) по методике СНиП рассчитаны добавкой 0,27Н к основным теплопотерям, где Н — высота от земли до верха вентиляционной шахты.

Расчёт по методике СП 60 выполнен с учётом расчётной разности давлений воздуха, сформированных под действием теплового и ветрового напоров на наружной и внутренней поверхностях входных дверей и их сопротивления воздухопроницанию. В данной статье в суммарных теплопотерях учтены инфильтрационные теплопотери по действующим нормам СП 60.13330.2016. В зданиях всех трёх функциональных назначений принято одинаковое сопротивление воздухопроницанию входных дверей, однако из-за различной температуры в лестничных клетках инфильтрационные теплопотери через входные в здание двери в жилых зданиях немного меньше, чем в общественных и производственных.

В методике СП 60 на инфильтрационные теплопотери через входные двери влияют только аэродинамические характеристики дверей и расчётная температура наружного воздуха, а в старой методике, кроме того, ещё и сопротивление теплопередаче дверей, что не верно. Поэтому теплопотери на нагревание врывающегося через двери воздуха, рассчитанные по старой методике, были значительно завышены. Новая методика учитывает и температуру наружного воздуха, и скорость ветра, что заметно при сравнении инфильтрационных теплопотерь в Сочи и в Феодосии, а также в Улан-Удэ и в Воркуте.

Структура теплопотерь через отдельные ограждающие конструкции, приведённая в табл. 3, свидетельствует о том, что инфильтрационные теплопотери через окна превышают сумму трансмиссионных потерь через перекрытия (над неотапливаемым подвалом) и чердачных, причём во всех рассматриваемых городах вне зависимости от расчётной скорости ветра.

При этом следует оговориться, что сопротивления воздухопроницанию окон приняты по расчёту требуемых величин, исходя из нормируемых воздухопроницаемостей окон. Окна, применяемые в современном строительстве, часто плотнее принятых в статье.

В табл. 4 даны расчётные теплопотери за счёт теплопередачи и инфильтрационные теплопотери. Кроме того, в данной таблице приведены затраты теплоты на отопление здания за отопительный сезон.

Если сравнивать порядок городов по убыванию расчётных суммарных теплопотерь и суммарных затрат теплоты, то приходится отметить, что этот порядок разный. В перечне городов, поставленных по убыванию величины затрат теплоты, вторым для зданий различного функционального назначения является город Магадан, тогда как вторым городом по величине расчётных теплопотерь является город Улан-Удэ. В данных городах отношение наибольшей нагрузки на отопление для зданий одного функционального назначения к наименьшей лежит в пределах 1,72–1,8, тогда как отношение сезонного расхода теплоты равно 3,52–3,63.

В то же время средние отношения нагрузки на отопление в одном городе для зданий различного назначения и средние отношения сезонных расходов теплоты очень близки друг к другу и составляют: для производственного здания к общественному — 1,6, а общественного здания к жилому — 1,1.

Сравнение соотношений нагрузок на систему отопления и сезонных затрат теплоты на отопление зданий различного назначения, с учётом принятых теплотехнических норм, не выявило ничего необычного: в жилых зданиях эта нагрузка наименьшая, а в производственных наибольшая. Причём в производственных зданиях увеличение нагрузки по сравнению с жилыми зданиями возрастает в 1,75–1,86 раз. Без проведения специальных исследований невозможно однозначно утверждать, что такое положение дел является экономически выгодным.

Выводы

1. Различные нормы теплозащиты зданий различного функционального назначения усложняют проектирование зданий, а в ряде случаев могут быть препятствием для перепрофилирования назначения здания.

2. Необходимо экономически обосновать принятые подходы к нормированию теплозащиты в зданиях и сооружениях различного назначения.

3. Несмотря на бытующее мнение о том, что требуемые сопротивления теплопередаче и воздухопроницанию ограждающих конструкций нормируются исходя из попытки выровнять затраты теплоты на отопление в различных районах России, видно, что работы в этом направлении ещё «непочатый край». Хотя, может быть, даже стоит не «выравнивать», а просто в нормах учесть стоимость топлива в различных районах Российской Федерации.

4. Желательно согласовать подход к выбору теплозащиты наружных входных дверей с подходом к выбору теплозащиты остальных наружных ограждающих конструкций, а также привести справочные данные по реальному сопротивлению воздухопроницанию входных дверей с тамбурами и без них.

5. В методике расчёта теплопотерь необходимо повышением расчётной температуры углового помещения или добавкой к основным теплопотерям учесть дополнительное возрастание теплопотерь в этом помещении из-за кривизны наружной стены.

6. Необходимо также вернуть добавки на ориентацию по сторонам света в методику расчёта теплопотерь, так как они учитывают различную влажность строительных материалов стен, выходящих на разные стороны.