Строительные нормы тепловой защиты зданий. Особенности национальной теплотехники

С введением в действие СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» в РФ впервые появилось нормирование потребления энергии на отопление зданий. Новый показатель дополнил применяющиеся требования к величине сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (оболочки) здания и позволил определять «класс энергетической эффективности» здания. С другой стороны, этот «потребительский» критерий дал большую свободу маневра — нужно, чтобы выполнялось либо требование к тепловой защите, либо к потреблению тепла. Если величина расхода тепловой энергии на отопление здания в пределах нормы, то оболочка здания может иметь меньшее (на 20-40 %) сопротивление теплопередаче. А если класс энергетической эффективности здания оказывается ниже нормы, или вообще не предусмотрен, то надо, чтобы выполнялись поэлементные требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций.

Так говорится в пункте 5.1 СНиП 23-02-2003, а также и в пункте 5.2 СП 50.13330.2012 (которая является актуализированной редакции этого СНиП), лишь с небольшой разницей — даже если сопротивление теплопередаче элементов оболочки в норме, всё же «недопустимо проектирование зданий с пониженным классом энергосбережения».

Тем не менее, для жилых и общественных зданий класс тепловой энергетической эффективности является обязательной характеристикой и востребован со стороны надзорных органов.

В зарубежных странах потребляемую зданиями энергию (в том числе на отопление и вентиляцию) приводят к единице отапливаемой площади здания. Такие нормируемые удельные величины, конечно же, зависят от климатических условий. Например, в Швеции предусмотрены три климатические зоны, в США — семь (без Аляски), во многих европейских странах — одна.

Во многих теплотехнических творениях происходит путаница вентиляции и инфильтрации. Однако каким бы способом наружный воздух ни попадал внутрь здания, он участвует в вентиляции помещений и, в конце концов, «вылетает в трубу»

В России, из-за большого многообразия климатических условий, применяется уникальная и стабильная удельная характеристика — величина необходимой энергии на отопление и вентиляцию, отнесённая, помимо площади (или объёму), ещё и к градусо-суткам отопительного периода (ГСОП). Таким образом, в СНиП 23-02 и СП 50.13330.2012 приведены одинаковые для всех климатических зон Российской Федерации нормативные «удельные характеристики потребления тепла» зданиями.

На самом деле то, что применяется в Российской Федерации как «удельный расход тепловой энергии» или «удельная характеристика расхода тепловой энергии» (СП 50.13330.2012) здания не является энергетическим показателем, связано не со зданием, а с его системой отопления, не имеет адекватного физического смысла и слабо связано с параметрами тепловой защиты зданий.

Давайте разберёмся, в чём проблема. Попутно рассмотрим и некоторые другие ошибки в указанных СНиП. В настоящее время СП 50.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003) является как бы «запрещённым к применению», пока не соизволит выйти в свет соответствующее постановление Правительства РФ. Этот СП, по сути, точно такой же, но выгодно отличается тем, что там исправлены некоторые ошибки, и изложение материала более разумное. Поэтому желательно всё же использовать его, хотя бы в скрытом виде.

Применяемые далее обозначения в основном соответствуют принятым в физике, а единицы физических величин приведены в системе СИ.

Поток тепла из отапливаемого здания (он равен потоку тепла для создания в здании микроклимата) слагается из тепла, выходящего через оболочку здания за счёт теплообмена, и тепла, уносимого с вентилируемым воздухом:

где Q — это поток тепла из здания в окружающий мир, Вт = Дж/с; Σ — знак суммы всех величин с индексом i; S_i — площади элементов оболочки здания (стены, крыши, окон и прочих), м²; R_i — сопротивление теплопередаче [м²·°С/Вт], соответствующее элементу оболочки здания; ΔТ_в — средняя разница температуры воздуха внутри и снаружи здания в течение длительного периода (например, отопительного сезона), °C; ρ — плотность наружного воздуха, кг/м³; С_в — теплоёмкость наружного воздуха, выражаемая в Дж/(кг·°С); Р_в — расход вентилируемого воздуха, м³/с.

В СНиП 23-02 (формула Г2) используют вместо ρ среднюю плотность воздуха снаружи и внутри здания. Эта ошибка исправлена в СП 50.13330.2012. Также там исправлена существенная ошибка для расчёта требуемого сопротивления теплопередаче перекрытий тёплых подвалов и чердаков (пункт 5.2, формула 5.3).

Снаружи в здание свежий воздух поступает путём инфильтрации через оболочку, а также через приточную систему вентиляции. Во многих теплотехнических творениях происходит путаница вентиляции (воздухообмена) и инфильтрации. Однако каким бы способом наружный воздух ни попадал внутрь здания, он участвует в вентиляции помещений (воздухообмене) и, в конце концов, «вылетает в трубу». Инфильтрация есть составная часть вентиляции. Также путают затраты тепла на отопление и вентиляцию.

Целью отопления является нагреть воздух внутри здания, и неважно, каким путём это делается — водяными радиаторами (электронагревателями, «тёплым полом» или стеной, кондиционерами, тепловыми излучателями) или калориферами в приточной системе механической вентиляции. Потребление тепла на вентиляцию есть составная часть отопления данного здания.

Энергия, теряемая зданием, в котором поддерживается микроклимат, в окружающую среду в течение достаточно длительного времени t (отопительный или, наоборот, «охладительный» сезон) вычисляется простым умножением формулы (1) на время:

Для отопительного периода средняя разница температуры воздуха внутри и снаружи здания, умноженная на его продолжительность в сутках, называется ГСОП = ΔТ_вt — градусо-сутки отопительного периода.

В зарубежных странах удельной характеристикой расходуемой тепловой энергии является величина Е, делённая на отапливаемую площадь здания, а в России — делённая ещё и на ГСОП.

Делить на отапливаемую площадь S_отили на отапливаемый объём V принципиальной разницы нет, поскольку V = S_отη_э, где η_э — средняя высота этажей здания. Поэтому далее будем рассматривать нормирование по объёму.

Итак, наша удельная отопительная характеристика для здания kh [Вт/(м³·°С)] представляется так:

В Своде Правил 50.13330.2012 (формула Г.1) выражение (2) написано в виде суммы «удельной теплозащитной и вентиляционной характеристики» здания: k_об + k_вент. В СНиП 23-02 это «общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции» (формула Г.2), которые в дальнейшем надо поделить на V (или площадь) и ГСОП.

Если в здании нет никаких «дополнительных теплопоступлений» или, наоборот, всё нужное тепло получают за счёт «бытовых тепловыделений» (без участия системы отопления от внешнего источника), то нормы теплозащиты и потребления тепла для такого здания должны быть одинаковыми

Характеристика kh является основной составляющей «удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания» (СП50.13330.2012) или «удельного расхода тепловой энергии на отопление здания» по СНиП 23-02, выражающей то же самое, но в единицах кДж/(м³·°С·сут.).

Именно на эту величину могут влиять архитектурные и конструкционные решения для здания.

Такая характеристика по смыслу является коэффициентом теплопередачи, делённым на объём, а вовсе не «удельным расходом тепловой энергии» (аналогично тому, как сопротивление в электрической цепи не является характеристикой силы тока или мощности). Для того, чтобы получить тепловой энергетический показатель, надо, наоборот, умножить kh на ΔТ_в. Поэтому наша удельная характеристика в формуле (2) так странно и обозначена, чтобы читатель инстинктивно не спутал её с удельным тепловым потоком.

Если бы дело этим и ограничивалось, то было бы вполне приемлемо. Но имеется ещё важное отличие российского показателя «удельного расхода тепла».

Принято, во-первых, вычитать из тепла, необходимого для поддержания микроклимата, дополнительные теплопоступления внутри здания, не имеющие никакого отношения к его теплозащитным характеристикам. Это «бытовые» поступления тепла (также возможны производственные и прочие поступления, связанные с человеческой деятельностью) и солнечная энергия, но только та, что проникает через окна, витражи (кстати, стекло в тепловом диапазоне практически непрозрачно).

Во-вторых, учитывают так называемое «дополнительное теплопотребление системы отопления», зависящее от её типа и конструкции и тоже не имеющее отношения к теплозащитным характеристикам оболочки здания или необходимого воздухообмена (Г.1). Это действие частично компенсирует первое.

В результате величина тепловой энергии, необходимая для поддержания микроклимата в зданиях, неправомерно уменьшается на 20-60 %. Ведь если в здании нет никаких «дополнительных теплопоступлений» (никто там не обитает, хотя бы по ночам) или, наоборот, всё нужное тепло получают за счёт «бытовых тепловыделений» (без участия системы отопления от внешнего источника), то нормы теплозащиты и потребления тепла для такого здания должны быть одинаковыми. Независимо от того, «свой» источник тепла иди «чужой».

Например, в качестве «бытовых теплопоступлений» применяйте газовые, электрические, дровяные отопительные устройства внутри здания и вообще не используйте внешнее теплоснабжение, и ваше здание будет самого высокого класса тепловой «энергетической эффективности» или «с нулевым потреблением тепла». Для жилых домов по установленным нормативам вам всегда «в помощь» будут минимум 10 Вт «бытовых» тепла и уюта с каждого 1 м² жилой площади (хотя люди восемь часов в сутки проводят вне дома, а ещё восемь часов спят).

Но это лишь одна сторона неправомерного учёта «дополнительных поступлений тепла» в здание. Гораздо более неправомерен другой аспект такой манипуляции. В качестве теплоэнергетической характеристики здания рассматривается не то тепло, которое необходимо на его обогрев и вентиляцию (равное теплу, выходящему через оболочку здания в окружающий мир), а только часть тепла, которым снабжает здание (непосредственно) система отопления.

Получим вот такой тепловой баланс:

где Q — поток тепла из здания в окружающий мир [Вт], см. формулу (1); Q_со — поток тепла в здание от системы отопления (с внешним источником тепла, согласно СНиП), Вт; Q_6c — «бытовые теплопоступления» и поток солнечного тепла в здание через светопрозрачные конструкции, Вт; n и m — некоторые коэффициенты, имеющие смысл коэффициента полезного действия (КПД).

Отсюда и вылезет сакраментальное:

как в формуле Г.2 СНиП 23-02 или, в уже нормированном по ΔT_в и V виде, в формуле Г.1 СП 50.13330.2012, причём коэффициент β = 1,07-1,13 называют «коэффициентом, учитывающим дополнительное теплопотребление системы отопления», обусловленным «дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов (квантовая сантехника-теплотехника), их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях и теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения».

Беда в том, что механизм теплопередачи из здания в окружающий мир и от системы отопления (с прочими) воздуху внутри здания разные. И, если уходящее тепло Q имеет смысл нормировать по ΔT_в (средней разнице температуры воздуха внутри и снаружи здания), поскольку Q ей пропорционально, то остальное — нет.

Обогрев воздуха от отопительных приборов происходит из-за контакта воздуха с горячей поверхностью нагревателя (конвективный механизм): радиатора, калорифера в приточной системе вентиляции, тёплого пола, а также тепловым излучением в спектральных диапазонах непрозрачности воздуха. Такая теплопередача внутри здания пропорциональна разности температуры нагревателя и температуры воздуха внутри здания (для нагрева приточного воздуха в механической вентиляции — разности температуры нагревателя и температуры воздуха снаружи здания). ΔT_в тут совсем не при чём.

Если необходимая тепловая мощность системы отопления Q_со (включая подогрев приточного воздуха) ещё имеет связь с температурой наружного воздуха и ΔT_в (чем холоднее, тем больше надо тепла давать и температура нагревателя должна быть больше), то бытовые поступления тепла совсем уже от них не зависят. Даже в СНиП бытовые теплопоступления задаются одинаковыми, не связанными с ΔT_в.

Конечно же, если благодаря узаконенным неправильным расчётам в недостаточной мере снабжать здания теплом, то потребителям придётся обогреваться, специально для этого включая всякие «бытовые тепловыделения», даже в три раза более дорогие (электрообогреватели). Но это лишь следствие того, что Q_со меньше Q (теплоснабжение меньше потребности), а не причина.

Если поступление солнечного тепла в здание и связано с ΔT_в, то совсем наоборот — оно обратно пропорционально ΔT_в. Чем севернее (и больше ΔT_в), тем меньше солнечного света. Ещё солнечный обогрев связан с погодными условиями, прозрачностью атмосферы, а также с «вредоносным» закрыванием окон шторами, жалюзи, другими домами, применением «энергосберегающих и солнцезащитных» стеклопакетов, не дающих возможности проникать в помещения остаткам солнечной энергии.

Таким образом, «удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания» (СП50.13330.2012) или «удельного расхода тепловой энергии на отопление здания» по СНиП 23-02 на самом деле есть некий условный коэффициент теплопередачи воздуху внутри здания от системы отопления, не имеющий адекватного физического смысла и не являющийся энергетической тепловой характеристикой.

С ещё большими трудностями столкнётся попытка учесть в той же манере другие виды энергии, потребляемые в здании: электрической и горячего водоснабжения. Ведь они не зависят от температуры атмосферного воздуха и от ΔT_в. Вывод простой — нельзя делить (нормировать) на ΔT_в то, что не зависит линейно от средней разницы температуры воздуха внутри и снаружи здания. Формально, конечно, можно делить на что угодно, но физического смысла это не имеет.

Зачем нужно было так усложнять простейшую задачу? Похоже, всего лишь только для того, чтобы предложить и применять «стабильную» удельную характеристику, одинаковую для любых климатических зон РФ. Да и красиво звучит формулировка «учёт дополнительных поступлений тепла».

Для выяснения того, как и для чего это делают, рассмотрим далее нормальную, адекватную часть «удельной тепловой характеристики» здания kh формулы (2), описывающую всё тепло, которое необходимо для поддержания микроклимата. Вентиляционная (и инфильтрационная) составляющая «тепловой характеристики» kh во втором слагаемом формулы (2) (то есть ρС_вР_в/V) — величина практически постоянная для однотипных зданий. Она зависит только от требуемого воздухообмена.

Теплоёмкость наружного воздуха в пределах всех климатических условий РФ в отопительный период может измениться в пределах 0,6 %, а плотность воздуха — на 11,5 °% или на 0,15 кг/м³. (Здесь учтён даже Оймякон, где средняя температура наружного воздуха за отопительный сезон равна -24,3 °C.) Значит, в зависимости от местоположения здания, вентиляционная составляющая в формуле (2) в России может измениться не более чем на 12 %.

Нормируемый расход вентилируемого воздуха Р_в в здании можно представить в виде требуемой кратности воздухообмена Р_в/V (ч^-1), которая мало зависит от размеров и конструкции зданий одинакового назначения. Так, собственно и делается в СНиП. Итак, вентиляционную составляющую в формуле (2) можно практически считать константой. Оно составляет до 80 % от общей величины kh. Потребность тепла на вентиляцию может быть снижена только уменьшением притока (в том числе инфильтрации) наружного воздуха.

В Приложении 1 приведены примеры расчёта потребности тепла на вентиляцию общественного и жилого здания и даны рекомендации для практической деятельности. Также там указана ещё одна ошибка в рассматриваемых СНиП.

Основная часть «удельной характеристики расхода тепловой энергии» не по величине, а по возможности влияния на неё устанавливаемыми нормативными показателями теплозащиты ограждающих конструкций зданий, обусловлена теплопередачей через оболочку здания — первое слагаемое в формуле (2). И оно весьма значительно зависит от климатических условий и от геометрических параметров здания.

Если бы, гоняясь за универсальностью удельного показателя для всей территории РФ, не делили бы его на перепад температуры ΔT_в, а оставили бы как в формуле (1), то он был бы более стабильным. Ведь величина сопротивления теплопередаче нормируется в зависимости от климатических условий пропорционально ГСОП.

Но нашу «удельную характеристику расхода тепловой энергии» kh получают с помощью деления на ГСОП (на ΔT_в), имея в итоге сугубо нестабильную составляющую kh формулы (2), обусловленную теплопередачей через оболочку здания (без вентиляции, инфильтрации). Обозначим её как khh. В СП 50.13330.2012 kh_h называется «удельная теплозащитная характеристика здания»:

О том, что делить расходуемое через оболочку здания тепло на отапливаемую площадь S_от или на отапливаемый объём V принципиальной разницы нет, уже говорилось ранее (V = S_отη_э, где η_э — средняя высота этажей здания). Так, по данным табл. 9 СНиП 23-02 для жилых домов от четырёх этажей и выше нетрудно получить, поделив то, что нормировано по площади на то же, нормированное по объёму, что η_э = 2,7-2,8 м. Это соответствует действительности. Но в СНиП 23-02 утверждается, что «надо делить на площадь квартир». Площадь квартир в современных домах составляет примерно 0,7 от отапливаемой площади S_кв = 0,7S_от. Тогда получим, что средняя высота этажа в жилых зданиях η_э = 3,8-4,0 м. Хотелось бы.

Отсюда очевидный вывод: нормируемую по площади «удельную характеристику расхода тепловой энергии» получают в результате деления на отапливаемую площадь, а не на площадь квартир. Тем не менее, в надзорных органах и даже у пользователей сложилось мнение, что для жилых зданий предусмотрены «более строгие требования», и нельзя делить на объём.

Зависимость «удельной теплозащитной характеристики здания» (по Своду Правил СП 50.13330.2012) khh от Ri (сопротивления теплопередаче элементов оболочки здания) в формуле (4) — очевидна. Для наглядности приведу данные её расчётов для одного и того же нового жилого здания (12-этажного, трёхсекционного, площадью этажа 2160 м², с 25 % окон и балконных дверей от площади фасада) с температурой внутри 20 °С для разных мест в Российской Федерации (табл. 1).

Величины сопротивления теплопередаче взяты в соответствии с нормативными требованиями для этих мест. Для здания с тёплыми или холодными подвалом и чердаком результаты практически не различаются.

Получается, что показатель kh_h в формуле (4) весьма сильно изменяется по стране из-за необходимого сопротивления теплопередаче элементов оболочки здания (в 2,5 раза). Это может существенно нарушить стабильность уникальной российской «удельной характеристики расхода тепловой энергии».

Для решения этой проблемы надо уменьшить (по возможности — вообще полностью устранить) величину kh_h, зависящую от R_i. Это делают путём вычитания из неё «бытовых и солнечных» поступлений тепла, поделённых на величины ΔT_в и V:

В результате таких действий в СНиП и получают вполне стабильную величину. Не стоит рассматривать арифметические выкладки и принятые зависимости R_i от ГСОП для того, чтобы показать, как «убить» kh_h «бытовым уютом и солнечным светом», поскольку такая деятельность весьма похожа на жульничество.

Рассмотрим результаты на том же примере. Расчёт выполнен в соответствии с формулой Г.1 СП 50.13330.2012 (в СНиП 23-02 то же самое, но с лишними действиями).

Для описанного здесь ранее большого жилого здания, «путешествующего» по Российской Федерации с соблюдением норм тепловой защиты своей оболочки результаты даны в табл. 2.

Применяемая в настоящее время «удельная характеристика расхода тепловой энергии» или «удельный расход тепловой энергии» не является энергетическим показателем потребления тепла, необходимого для поддержания микроклимата в здании. Она есть некоторый условный коэффициент теплопередачи только той части тепла, которое поставляет система отопления

Результаты в этой таблице показывают:

1. Вентиляционная составляющая (это строка 2) в «удельной характеристике расхода тепловой энергии», как и следовало ожидать, практически постоянна.

2. Пропорционально ГСОП и ΔT_в, вместе с ростом удельной теплозащитной характеристики kh_h, также увеличиваются удельные характеристики бытовых и солнечных поступлений тепла. Однако абсолютная же величина в [Вт] этих внутренних поступлений тепла остаётся постоянной.

3. В результате вычитания по формуле типа (5), как это делают в СНиПах (из строки 1 отнимаем строки 3 и 4, без всяких странных коэффициентов «теплоусвоения»), удаётся «истребить» большую часть kh_h; результат — строка 5.

4. В итоге получаем «удельную характеристику расхода тепловой энергии» системой отопления (строка 7) меньшую реальной потребности здания (строка 6), но более стабильную (10 % отклонения).

Здесь нужно сделать примечание. Величина солнечных теплопоступлений [Вт] в здание для расчётов взята одинаковой, независимо от местоположения здания. Добавив солнечного тепла в Санкт- Петербурге и Сочи можно было бы ещё уменьшить для них итоговую «удельную тепловую характеристику». При расчёте, конечно же, не учитывалась такая «мелочь», как ориентация окон по сторонам света. Кратность воздухообмена в здании была принята равной 0,64 ч^-1, иначе по российским СНиП она получится 0,5 ч^-1, как для необитаемых подвалов или для зданий без людей.

Таким образом, «бытовые и солнечные поступления тепла» внутри здания позволяют получить стабильный «удельный расход тепловой энергии», компенсируя теплопередачу через оболочку здания, для которой, собственно, и установлены нормы тепловой защиты.

Поэтому, в частности, получается, что «удельная характеристика расхода тепловой энергии» по СНиП зависит от числа этажей здания более, чем от других геометрических размеров и характеристик. Больше этажей — значит, больше площадь (полезная, жилая, приведённая и прочее) и больше «бытовых тепловыделений», а также больше окон и солнечных теплопоступлений. Поэтому в итоге получится значительно меньшая «потребность в тепле».

Выводы

Применяемая в настоящее время «удельная характеристика расхода тепловой энергии» (СП 50.13330.2012) или «удельный расход тепловой энергии» (СНиП 23-02-2003) не является энергетическим показателем потребления тепла, необходимого для поддержания микроклимата в здании. Она есть некоторый условный коэффициент теплопередачи только той части тепла, которое поставляет система отопления (с внешним источником тепла). Она не имеет адекватного физического смысла и получается стабильной для всех климатических зон РФ в результате неправомерных манипуляций («учёта» дополнительных поступлений тепла изнутри здания), резко уменьшающих влияние теплопередачи через оболочку здания, для которой, собственно, и установлены нормы тепловой защиты.

Принципиально СП 50.13330.2012 является аналогом СНиП 23-02-2003, не отличающимся по сути, но там исправлен ряд ошибок, и изложение материала более логичное. Желательно его использовать до дополнительного «одобрения» Правительством Российской Федерации, тем более что некоторые получаемые там параметры требуются в другой энергетической документации.