Выбор теплозащиты ограждений с учётом их неоднородности

В рамках пересмотра действующей нормативной базы в области строительства в Российской Федерации с 01.06.2013 вступила в силу актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — СП 50.13330.2012 (далее — СП) [1]. В соответствии с её требованиями 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_oт [м³] и к расчётной разности температур [°C] внутреннего и наружного воздуха.

Предельный уровень этой характеристики в работе [1] ограничивается нормируемой величиной k_об^тр [°С·сут/год] в зависимости от значения V_oт и граду- со-суток отопительного периода в районе строительства (ГСОП).

Впервые данная методика была изложена в работах [2-3].

Проведём расчёт k_об для здания таможенного управления в городе Санкт-Петербурге для двух вариантов. В первом варианте возьмём сопротивления теплопередаче R_о^пр по данным табл. 3 [1] для вычисленного значения ГСОП, во втором — с допустимым снижением в указанных в пункте 5.2 [1] пределах, то есть считаем региональные коэффициенты m_р = 0,63 для наружной стены и m_р = 0,8 для покрытия. Перекрытие над подвалом и заполнение светопроёмов в обоих случаях принимаем с m_р = 1, то есть сравниваем только базовый и пониженный уровень теплозащиты основных несветопрозрачных конструкций.

Площади ограждающих конструкций принимаем по строительным чертежам: А_нс = 2097 м² (наружная стена), А_пт и А_пл = 1425 м² (покрытие и перекрытие над подвалом), А_ок = 656 м² (окна), а соответствующие коэффициенты положения n_i равными 1 для всех ограждений, кроме пола над подвалом, где n = 0,6. Отапливаемый объём здания равен V_от = 23193 м³.

Считаем среднюю температуру внутреннего воздуха в здании для расчёта системы отопления t_e = +19 °С по требованиям [4], среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период t_от = -1,3 °С и его продолжительность z_от = 213 суток — по табл. 1 [5], тогда:

ГСОП = (19 + 1,3) х 213 = 4324 °С·сут/год.

Результаты расчётов для наглядности 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 k_об^тр = 0,245 Вт/(м³·К).

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

В рамках пересмотра действующей нормативной базы в области строительства в Рос- сийии вступила в силу актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — Свод Правил 50.13330.2012. В соответствии с её требованиями оценка уровня теплозащиты оболочки здания осуществляется с учётом его удельной теплозащитной характеристики

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)], а также через точечную неоднородность χ_k [Вт/К] по результатам расчёта двухмерного температурного поля узла конструкций следующим образом:

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

где Q_k — потери теплоты через узел, содержащий точечную теплотехническую неоднородность к-го вида, являющиеся результатом расчёта температурного поля, Вт; Q_~^k — потери теплоты через тот же узел, не содержащий точечную теплотехническую неоднородность k-го вида, являющиеся результатом расчёта температурного поля, Вт.

Аналогичным же 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 — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции [Вт/(м²·К)]. Для наружной стены по работе [1] можно принимать 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_кi [м²·К/ Вт] — это суммарное термическое сопротивление всех слоёв однородной части фрагмента конструкции, кроме теплоизоляционного. При этом для каждого слоя R_i = δ_i/λ_i где δ_i и λ_i — толщина и теплопроводность материала i-го слоя, [м] и [Вт/(м·К)], 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. Площадь фасада была определена по чертежам и составляет 1171 м². Легко видеть, что в первом варианте величина rзаметно 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 r_нс 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 λ_ут и его стоимости С_ти [руб/м³]. В рассматриваемом примере мы считаем λ_ут = 0,064 Вт/(м·К) и С_ти = 2100 руб/м³ по среднерыночным ценам 2014-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 протяжённого общественного здания из Приложения Г [1]. Расчётный срок эксплуатации здания T_ам = 45 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 [руб. в год], то есть только амортизационные отчисления и тепловая энергия. Вычисления сводим в табл. 3.

Вычисляем совокупные дисконтированные затраты СДЗ [6-8]:

где р — норма дисконта, которая при вычислениях была принята в размере 10 % годовых. По полученным данным строим графики СДЗ для каждого из вариантов, как это представлено на рис. 1.

Легко видеть, что кривые на рис. 1 пересекаются при Т, равном примерно семи годам. Более точно дисконтированный срок окупаемости базового уровня теплозащиты по сравнению с пониженным можно вычислить по формуле [6-8]:

то есть бездисконтный срок окупаемости составляет Т₀ = 4,9 лет.

Таким образом, повышение теплозащиты наружных стен и покрытия от минимально допустимого уровня до базового в рассмотренных условиях является экономически оправданным.

В самом деле, получаемое значение Т_ок, хотя и превышает желательную для малозатратных и быстро окупаемых мероприятий величину пять лет [6], но всё же существенно меньше проектного срока службы здания. По-видимому, это можно объяснить удачными архитектурноконструктивными и объёмно-планировочными решениями здания, что выражается в малом значении коэффициента компактности (всего 0,241 м^-1).

Поэтому для дальнейшей разработки принимаем первый вариант теплозащиты с базовыми значениями R_i.