Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций зданий.

Ч. 1. Европейский подход и метод расчета

А. С. Горшков, канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции здания (так называемые трансмиссионные потери тепловой энергии) составляют существенную долю в структуре затрат тепловой энергии на его отопление и напрямую зависят от уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций. В странах Европы введены обязательные нормативные требования к уровню теплоизоляции (в терминах стандарта, принятого на территории Российской Федерации, – к приведенному сопротивлению теплопередаче) наружных ограждающих конструкций, которые отличаются в зависимости от климатических условий страны и ее государственной политики в области энергосбережения.

В связи с постоянным ростом цен на энергетические ресурсы, а также сокращением невозобновляемых ресурсов (нефти, газа) в большинстве развитых стран мира нормативы потребления зданиями энергии постоянно уменьшаются, а требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций – повышаются.

Европейский подход к нормированию требований по теплоизоляции

В западноевропейских странах при выборе требуемого уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций нормируется не требуемое сопротивление теплопередаче, как это принято в России, а максимально допустимое значение коэффициента теплопередачи U_i(max). Рассмотрим европейский подход к нормированию требований по теплоизоляции на примере Финляндии.

Для Финляндии максимально допустимые значения коэффициентов теплопередачи U_i(max) применительно к различным наружным ограждающим конструкциям зданий, отапливаемых в полном объеме в течение отопительного периода (согласно требованиям п. 2.5.4 стандарта Финляндии [1]), приведены в табл. 1. При проектировании наружных ограждающих конструкций задачей проектной организации является выбор наружного ограждения, коэффициент теплопередачи которого U_i должен быть ниже максимально допустимого значения (табл. 1).

Стимул к поиску новых решений

Следует отметить, что в Финляндии нормативы по теплоизоляции наружных ограждений зданий возрастали постепенно (табл. 2, [2]). Такое ужесточение требований к уровню теплоизоляции наружной оболочки зданий стимулирует внедрение энергосберегающих разработок. До тех пор, пока нормативные требования остаются неизменными, инновации, как правило, применяются выборочно (в основном для уникальных и представительских объектов), т. к. традиционные материалы, технологии и технические решения в полной мере соответствуют старым стандартам. Повышение требований к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций приводит к поиску новых технических и конструктивных решений, к совершенствованию и разработке новых материалов и изделий.

Определение теплотехнических характеристик

Важными условиями при проектировании зданий в Финляндии являются, во-первых, определение суммарных трансмиссионных потерь и, во-вторых, обеспечение требуемого расхода энергетических ресурсов. Согласно [1], суммарные трансмиссионные потери тепловой энергии (потери тепла через оболочку) в здании H_тр рассчитываются по формуле (1) (см. Формулы). Нормы расхода тепловой энергии на отопление и суммарного энергопотребления зданий приведены в табл. 3.

При определении расчетных значений теплотехнических характеристик ограждающих конструкций в странах ЕС используют следующие стандарты:

• при определении расчетных значений коэффициентов теплопередачи (U-value) – ISO 6946 Building components and building elements – Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method (далее – ISO 6946);
• при определении расчетного значения трансмиссионного коэффициента теплопередачи (H_d) – ISO 13789 Thermal performance of buildings – Transmission and ventilation heat transfer coefficients – Calculation method (далее – ISO 13789).

Расчет по стандарту ISO 6946

Стандарт ISO 6946 описывает правила проектирования и расчета уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, похожие на те, что были приняты ранее в Советском Союзе [3].

Общее сопротивление теплопередаче RT плоской ограждающей конструкции, состоящей из однородных слоев, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока, рассчитывается по формуле (2). Аналогичным образом сопротивление теплопередаче рассчитывалось в нашей стране по стандартам СНиП II 3–79* «Строительная теплотехника» и СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий».

Общее сопротивление теплопередаче RT ограждающей конструкции, состоящей из термически однородных и неоднородных слоев, параллельных поверхности ограждающей конструкции, в стандарте ISO 6946 рассчитывается более сложным образом, но близко к методике, изложенной в СНиП II 3–79*.

Величина коэффициента теплопередачи рассчитывается по формуле (3). На этом расчет не заканчивается. Численные значения коэффициента теплопередачи, рассчитанные по формуле (3), должны быть откорректированы по формуле (4) с учетом:

• наличия воздушных пустот в теплоизоляции;
• наличия механических крепежных деталей;
• влияния осадков на теплотехнические параметры инверсионных кровель.

Суммарная коррекция ΔU рассчитывается по формуле (5).

Определение толщины слоя теплоизоляции

Откорректированное значение коэффициента теплопередачи U_c сравнивается с нормативным значением данного параметра, которое в европейских странах регулируется на законодательном уровне. Для Финляндии нормируемые (максимально допустимые) значения коэффициентов теплопередачи приведены в табл. 1.

На основании сравнения нормативного и расчетного значений коэффициента теплопередачи определяется требуемая толщина слоя теплоизоляции в составе ограждающей конструкции.

Трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания

Трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания H_d через ограждающие конструкции, отделяющие кондиционируемые помещения от внешней среды, рассчитывается либо непосредственно численными методами на основе расчета температурных полей в соответствии с требованиями стандарта ISO 10211 Thermal bridges in building construction – Heat flows and surfaces temperatures – Detail calculations (далее – ISO 10211), либо по формуле (6). Суммирование производится по всем строительным конструкциям, отделяющим внутреннюю среду здания от внешней среды. Таким образом учитываются не только потери тепловой энергии по глади рассматриваемой ограждающей конструкции, но и потери через теплопроводные включения.

В заключение по формуле (7) рассчитывается трансмиссионный коэффициент теплопередачи всего здания.

Таким образом, в Европейском союзе принят подход, согласно которому выбор толщины слоя теплоизоляции в составе наружных ограждающих конструкций определяется по простым аналитическим формулам, не требующим специальных методов математического моделирования или прикладных программ.

При расчете трансмиссионного коэффициента теплопередачи через наружные ограждения по формуле (6) учитываются потери тепла как по глади наружных ограждающих конструкций, так и через теплопроводные включения. При расчете трансмиссионного коэффициента теплопередачи всего здания к потерям через ограждения добавляются потери тепла через конструкции, контактирующие с грунтом, и при необходимости через соседние здания, температура внутреннего воздуха в которых может отличаться от температуры воздуха в проектируемом здании.

Методика расчета коэффициента теплопередачи через ограждающие конструкции, контактирующие с грунтом H_g, представлена в стандарте ISO 13370 Thermal performance of buildings – Heat transfer via the ground – Calculation methods.

О подходе к нормированию требований по теплоизоляции жилых зданий, принятому в Российской Федерации, а также о сравнении европейского и российского подходов читайте в следующем номере журнала «Энергосбережение».

Литература

1. National Building Code of Finland. Part D3.
2. Сормунен П. Энергоэффективность зданий. Ситуация в Финляндии // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 1.
3. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3.

¹ Финляндия выбрана потому, что на большей части территории данной страны климатологические показатели (продолжительность отопительного периода и температуры наружного воздуха в отопительный период) совпадают с аналогичными показателями, характерными для Москвы.