Анализ действующих требований и методик по тепловой защите зданий

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

С. В. Корниенко, канд. техн. наук, доцент кафедры «Архитектура зданий и сооружений», профессор кафедры «Урбанистика и теория архитектуры» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

С момента утверждения свода правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (далее – СП 50.13330) прошло достаточное количество времени (см. справку). Подведем некоторые промежуточные итоги его применения на территории Российской Федерации, проанализировав основные замечания к действующей редакции данного свода правил. Это представляется важным, поскольку на основании методик СП 50.13330 определяются теплозащитные, влагозащитные и воздухоизоляционные свойства ограждающих конструкций, обеспечивающие заданные параметры микроклимата помещений, рассчитывается энергоэффективность зданий и им присваивается класс энергетической эффективности.

Терминология

В 1974 году была опубликована монография В. П. Туркина [1], в которой со ссылкой на доклад Л. К. Юргенсона «Терминология теплотехники» было отмечено, что термин «коэффициент теплопроводности» получен из неправильного перевода немецкого слова Warmeleitzahl. Свойство материи, имеющее размерность, нелогично называть коэффициентом. На этом основании автор монографии [1] более 40 лет назад предлагал применить термин «теплопроводность», отбросив при этом слово «коэффициент», который относится к безразмерным показателям.

В настоящее время в научной и справочной литературе [2], как и во всех международных стандартах, термин «коэффициент» не используется. В этой связи к исключению слова «коэффициент» в существующей редакции СП 50.13330 при обозначении теплопроводности строительных материалов и изделий следует отнестись положительно.

СПРАВКА

СП 50.13330 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02–2003 утвержден приказом Минрегиона России от 30 июня 2012 года № 265 и введен в действие с 1 июля 2013 года. Отдельные разделы данного свода правил – 1, 4 (пп. 4.3, 4.4), 5 (пп. 5.1, 5.2, 5.4–5.7), 6 (п. 6.8), 7 (п. 7.3), 8 (подпункты «а» и «б» п. 8.1), 9 (п. 9.1) и Приложение Г: включены в перечень обязательных требований Технического регламента «О безопасности зданий и сооружений» (Федеральный закон РФ № 384-ФЗ1); утверждены в статусе обязательных требований постановлением Правительства РФ № 15212.

Данная рекомендация может быть применена и к другим терминам СП 50.13330: «коэффициент паропроницаемости», «коэффициент теплоусвоения», «коэффициент воздухопроницаемости».

Следует отметить, что использование термина «коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции» (табл. 4 СП 50.13330) не отражает физические основы процесса теплообмена в отапливаемых помещениях. В холодный период года температура внутреннего воздуха выше температуры на внутренней поверхности ограждения, поэтому ограждение не отдает, а принимает тепловую энергию из помещения, поэтому логично эту характеристику назвать характеристикой тепловосприятия внутренней поверхности ограждающей конструкции или характеристикой теплообмена.

В целом СП 50.13330 изобилует опечатками, описками и графическими неточностями, подготовлен с нарушением ГОСТ 7.32–2001³.

Единицы измерения физических величин

В действующей редакции СП 50.13330 единицы измерения ряда физических величин не соответствуют принятым в ГОСТ 8.417⁴. В СП 50.13330 единицей измерения теплопроводности является Вт/(м•К), теплового (термического) сопротивления – м2•К/Вт, коэффициента теплообмена – Вт/(м2•К). Указанные выше единицы измерения соответствуют международной системе единиц физических величин СИ и приняты не только в международных стандартах, но и в стандартах Республики Беларусь⁵.

Единицей измерения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания в редакции СП 50.13330 является Вт/(м³•°С). Эта единица не соответствует принятой в системе СИ – Вт/(м³•К).

Более подробный анализ указанных выше несоответствий представлен в работах [3, 4].

Нормативные требования к уровню тепловой защиты зданий

Не останавливаясь на вопросах терминологии и единицах измерения физических величин⁶, перейдем к рассмотрению нормативных требований к уровню тепловой защиты зданий, которые представлены в п. 5.1 СП 50.13330 и согласно которым:

1) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых значений (рассчитывают по формуле (5.1), СП 50.13330);

2) удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемого значения (приведено в табл. 7, СП 50.13330 и зависит от отапливаемого объема здания и значений градусо-суток отопительного периода – ГСОП);

3) температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений (приведены в п. 5.7 СП 50.13330).

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций

Основным является первое из указанных требований, так как первоначальный выбор конструктивного решения и материалов в составе рассматриваемой ограждающей конструкции осуществляется на основании именно него. От численного значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зависят потери тепловой энергии в здании через ограждающие конструкции в течение всего отопительного периода.

Потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции являются наиболее значительными в структуре затрат тепловой энергии на отопление зданий. Расчеты показывают, что при существующих нормативах по теплоизоляции потери тепловой энергии на вентиляцию сопоставимы с трансмиссионными потерями через оболочку здания, однако экспериментально эти доводы не подтверждены.

Для восполнения потерь тепловой энергии к зданию необходимо подвести теплоту, т. е. подключить его к системе отопления. Чем выше уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, тем меньшими оказываются потери тепловой энергии через оболочку здания при условии поддержания в помещениях заданных параметров микроклимата. Таким образом, потери тепловой энергии в здании при корректном регулировании параметров теплоносителя напрямую зависят от уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций.

Во всех цивилизованных странах мира приняты обязательные нормативные требования к уровню теплоизоляции (в терминах СП 50.13330 – к приведенному сопротивлению теплопередаче) наружных ограждающих конструкций. В связи с ростом цен на энергетические ресурсы, а также сокращением невозобновляемых ресурсов (нефти, газа и пр.) в большинстве развитых стран мира нормативы потребления зданиями энергии неуклонно уменьшаются, а требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций повышаются [5–10]. Это стимулирует в том числе внедрение инновационных энергосберегающих материалов и технических решений.

В России с введением СП 50.13330 и одновременной актуализацией свода правил по строительной климатологии⁷ требования к уровню тепловой защиты зданий для большого количества населенных пунктов, включая Москву и Санкт-Петербург, оказались ниже, чем в предыдущей версии нормативного документа по тепловой защите (СНиП 23-02–2003). Это обстоятельство не соответствует утвержденной в стране программе энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий [11, 12].

Коэффициент, учитывающий особенности региона строительства

Приведенные в табл. 3 СП 50.13330 базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций не имеют физического обоснования. При установлении нормируемого сопротивления теплопередаче авторы СП 50.13330 по-прежнему продолжают использовать понижающий коэффициент m_p, «учитывающий особенности региона строительства».

Минимальное значение этого коэффициента, равное 0,63, установлено для стен. По-видимому, минимальное значение mp взято из [13], где это значение получено при расчете приведенного сопротивления теплопередаче межоконных простенков навесных вентилируемых фасадных систем единичного здания в отдельно взятом пункте с учетом продольной фильтрации воздуха через утеплитель в течение отопительного периода. Авторы статьи [13] утверждают, что разработанный ими метод предусматривает расчет наихудшей с точки зрения теплопотерь конструкции здания. Следует отметить, что коэффициент mp никак не связан с особенностями региона строительства. Применение этого коэффициента к другим типам ограждающих конструкций зданий различного функционального назначения в широком интервале значений ГСОП требует детального обоснования.

Особенности помещений с влажным и мокрым режимами

Проектирование помещений с влажным и мокрым режимами имеет свою специфику. Нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций таких помещений в общем случае определяется исходя из условий энергосбережения по формуле (5.1) СП 50.13330 (при базовых значениях требуемого сопротивления теплопередаче ограждений, приведенных в табл. 3, п. 2). В то же время согласно п. 5.3 СП 50.13330 для тех же помещений нормируемое значение сопротивления теплопередаче следует определять по формуле (5.4) исходя из санитарно-гигиенических условий.

Уровни нормирования тепловой защиты зданий

Следует различать два уровня нормирования:

• по санитарно-гигиеническому требованию;
• по требованию энергосбережения.

В [14] на основе сравнительной количественной оценки нормируемого сопротивления теплопередаче, определенного по различным уровням нормирования тепловой защиты зданий и помещений с влажным и мокрым режимами, проектируемых в 456 пунктах России, показано, что требование энергосбережения является более жестким. Для обеспечения поэлементной теплозащиты применимы оба требования. Однако при уровне нормирования по санитарно-гигиеническому требованию существует риск невыполнения комплексного требования (на основе удельной теплозащитной характеристики здания). При этом фактически ответственность за выбор уровня поэлементного требования по тепловой защите помещений с влажным и мокрым режимами лежит на проектировщике [14].

В отличие от поэлементного нормирования теплозащиты применение удельной теплозащитной характеристики здания дает проектировщику большую свободу в выборе элементов оболочки и является одним из контрольных ориентиров при разработке проекта [15]. Поэтому проверка теплозащитной оболочки здания по комплексному требованию является технически целесообразной мерой, особенно на стадии предпроектной подготовки, с целью технико-экономического обоснования вариантов проектного решения. Однако отсутствие понятия «удельная теплозащитная характеристика здания» в федеральном законе № 384-ФЗ⁸ создает правовые барьеры к применению этой характеристики, особенно при проведении судебных строительно-технических экспертиз [16].

Оценка соответствия ограждающей конструкции санитарно-гигиеническому требованию выполняется по температуре внутренней поверхности конструкции в зоне теплопроводных включений, в углах, оконных откосах и др. При этом в силу п. 5.7 СП 50.13330 температура внутренней поверхности ограждающей конструкции (при проектировании зданий) должна определяться по результатам расчета температурных полей всех зон с теплотехнической неоднородностью. Отсутствие в СП 50.13330 методики расчета температурных полей затрудняет оценку соответствия проектного решения ограждений санитарно-гигиеническому требованию.

Предложения и рекомендации по совершенствованию методов нормирования теплозащитной оболочки здания приведены в работах [17–22].

Методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче

Авторы СП 50.13330 утверждают, что введенный документ позволяет в большей степени учесть влияние теплопроводных включений и, соответственно, более точно оценить трансмиссионные потери тепловой энергии. Однако методика расчета, описанная в СП 50.13330, формализована недостаточно полно. При описании метода расчета отсутствуют расчетные схемы тех или иных видов теплопроводных включений, правила разбивки рассматриваемого фрагмента на расчетные участки, границы исследуемой области, а в примере расчета, представленном в СП 50.13330 (Приложение Н), не указаны характеристики некоторых составляющих расчетный фрагмент материалов, ввиду чего становится неопределенной проверка полученных результатов. В исследовании [23] приведена критическая оценка методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций.

Следует отметить, что и в предыдущей версии нормативного документа по тепловой защите зданий (СНиП 23-02–2003) нормировалось приведенное сопротивление теплопередаче, а в СП 23-101–2004⁹ вошли по крайней мере три приложения с методиками и примерами расчета приведенного сопротивления теплопередаче, в том числе на основе расчета температурных полей (см. Приложение М, СП 23-101–2004).

В СП 50.13330 относительно детально проработана методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен и крайне недостаточно внимания уделено проработке иных типов наружных ограждающих конструкций, притом что, например, состав покрытия может оказаться более разнообразным, а количество теплопроводных включений – более многочисленным, чем в фасадных конструкциях проектируемого здания.

Предусмотренный п. 5.2 СП 50.13330 алгоритм определения теплозащитных свойств ограждающих конструкций (с подбором толщины теплоизоляционного слоя) на основе удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания весьма трудоемок и труднореализуем на практике.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций в теплый период года и помещений здания в холодный период года

Требования по теплоустойчивости ограждающих строительных конструкций в теплый период года и помещений здания или сооружения в холодный период года отражены в ст. 29, ч. 1 федерального закона № 384-ФЗ. Данные требования предъявляются к микроклимату помещений и являются наряду с другими обязательными требованиями нормами прямого действия.

Методика расчета теплоустойчивости ограждающих конструкций описана в разделе 6 действующей редакции СП 50.13330. Обязательные требования по теплоустойчивости согласно постановлению Правительства РФ № 1521 ограничиваются необходимостью применения солнцезащитных устройств в условиях жаркого климата. В СП 50.13330 приведены нормируемые значения коэффициента теплопропускания солнцезащитных устройств зданий различного функционального назначения (табл. 8, СП 50.13330), однако методики расчета теплопропускания солнцезащитных устройств нет.

В отличие от СНиП 23-02–2003 нормы и методика расчета теплоустойчивости помещений здания или сооружения в холодный период года в СП 50.13330 отсутствуют. Это фактически исключает из процесса проектирования зданий целый ряд ограждений с теплоаккумулирующим слоем, имеющих высокий потенциал энергосбережения [24–29].

Продолжение статьи, в котором анализируются вопросы воздухопроницаемости и влажностного режима ограждающих конструкций, а также методика расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий, читайте в следующем номере журнала «Энергосбережение».

Литература

1. Туркин В. П. Отопление гражданских зданий. Челябинск : Юж.-Урал. кн. изд-во, 1974. 319 с.
2. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др. ; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мелихова. М. : Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
3. Горшков А. С., Соколов Н. А. Несоответствие российских и международных стандартов при определении расчетных значений теплопроводности строительных материалов и изделий // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 7. С. 7–14.
4. Соколов Н. А., Горшков А. С. Теплопроводность строительных материалов и изделий: уровень гармонизации российских и европейских стандартов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 6 (185). С. 27–31.
5. Ливчак В. И. Почему СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» приводит к снижению энергоэффективности зданий и как выполнить постановление Правительства России об их повышении // Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2013. № 3. С. 10–27.
6. Ливчак В. И. И все-таки повышение теплозащиты зданий для сокращения теплопотребления на их отопление – это правильное решение! // АВОК. 2017. № 6. С. 76–96.
7. Горшков А. С., Немова Д. В., Рымкевич П. П. Экономим или нет? Российские энергосберегающие требования // Энергосбережение. 2014. № 2. С. 26–32.
8. Ватин Н. И., Немова Д. В., Горшков А. С. Сравнительный анализ потерь тепловой энергии и эксплуатационных затрат на отопление для загородного частного дома при различных минимальных требованиях к уровню тепловой защиты ограждающих конструкций // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 1 (168). С. 36–39.
9. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Немова Д. В., Ватин Н. И. Экономическая эффективность инвестиций в энергосбережение // Инженерные системы. АВОК – Северо-Запад. 2014. № 3. С. 32–36.
10. Горшков А. С., Немова Д. В., Рымкевич П. П. Сравнительный анализ затрат тепловой энергии, эксплуатационных затрат на отопление и затрат топливно-энергетических ресурсов для многоквартирного жилого дома при различных минимальных требованиях к уровню тепловой защиты ограждающих конструкций // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 2. С. 34–39.
11. Аверьянов В. К., Байкова С. А., Горшков А. С., Гришкевич А. В., Кочнев А. П., Леонтьев Д. Н., Мележик А. А., Михайлов А. Г., Рымкевич П. П., Тютюнников А. И. Региональная концепция обеспечения энергетической эффективности жилых и общественных зданий // Жилищное строительство. 2012. № 3. С. 2–4.
12. Горшков А. С., Байкова С. А., Крянев А. С. Нормативное и законодательное обеспечение государственной программы об энергосбережении и повышении энергетической эффективности зданий и пример ее реализации на региональном уровне // Инженерные системы. АВОК – Северо-Запад. 2012. № 3. С. 24.
13. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Мехнецов И. А. Оценка теплозащиты стены здания с вентилируемым фасадом с учетом продольной фильтрации воздуха // АВОК. 2005. № 8.
14. Корниенко С. В. О нормировании тепловой защиты зданий с влажным и мокрыми режимами // Энергобезопасность и энергосбережение. 2014. № 5 (59). С. 19–24.
15. Малявина Е. Г. Теплопотери здания : Справочное пособие. М. : АВОК-ПРЕСС, 2007. 144 с.
16. Корниенко С. В., Ватин Н. И., Горшков А. С. Оценка теплозащиты эксплуатируемых жилых зданий из газобетонных блоков // Энергосбережение. 2016. № 6. С. 32–35.
17. Васильев Г. П., Колесова М. В. Экономически и экологически целесообразный уровень теплозащиты зданий // Вестник МГСУ. 2011. № 8. С. 293–302.
18. Перехоженцев А. Г. О необходимости корректировки СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» // АВОК. 2017. № 8. С. 54–57.
19. Перехоженцев А. Г. Нормирование сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий по условию теплового комфорта в помещении // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 173–185.
20. Перехоженцев А. Г. Проектирование наружных стен высотных зданий с заданным температурно-влажностным режимом // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. № 48 (67). С. 48–60.
21. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3 (30). С. 7–37.
22. Корниенко С. В. О комплексном показателе тепловой защиты зданий // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 3 (44). С. 159–163.
23. Тихомирнов С. И., Шахнес Л. М. Светопрозрачные ограждения в тепловой защите оболочки зданий. Проблемы нормирования и проектирования // Окна, двери, фасады. 2013. № 51. С. 18–37.
24. Заборова Д. Д., Куколев М. И., Мусорина Т. А., Петриченко М. Р. Математическая модель энергетической эффективности слоистых строительных ограждений // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 4. С. 28–33.
25. Заборова Д. Д., Мусорина Т. А., Петриченко М. Р. Теплотехническая работоспособность многослойной стеновой конструкции // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. № 1. С. 18–26.
26. Мусорина Т. А., Гамаюнова О.С., Петриченко М.Р. Обоснование конструктивных мероприятий по увеличению энергоэффективности стеновых ограждений // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 11 (110). С. 1269–1277.
27. Antuskov A. L., Ostrovaia A. F., Statsenko E. A., Kotov E. V., Musorina T. A., Petritchenko M. R. The thermal stability of enclosing structures as a power-saving factor // Университетский научный журнал. 2017. № 27. С. 25–34.
28. Statsenko E. A., Ostrovaia A. F., Musorina T. A., Kukolev M. I., Petritchenko M. R. The elementary mathematical model of sustainable enclosing structure // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 8 (68). С. 86–91.
29. Куколев М. И., Петриченко М. Р. Определение температурного поля стенки при периодическом тепловом воздействии // В сборнике: Двигатель-2007. Сборник научных трудов по материалам Международной конференции, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2007. С. 71–75.

¹ Федеральный закон РФ от 30 декабря 2009 года № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

² Постановление Правительства РФ от 26 декабря 2014 года № 1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона “Технический регламент о безопасности зданий и сооружений”».

³ ГОСТ 7.32–2001 «СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления» (с Изменением № 1).

⁴ ГОСТ 8.417–2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».

⁵ СТБ ЕН 12667–2007 «Теплотехнические характеристики строительных материалов и изделий. Определение сопротивления теплопередаче по методу защищенных термопластин и тепломера. Изделия с высоким и средним сопротивлением теплопередаче» и СТБ ЕН 12939–2007 «Теплотехнические свойства строительных материалов и изделий. Определение теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме с использованием прибора, включающего плиту, горячую охранную зону и тепломер. Материалы утолщенные с высокой и средней теплопроводностью».

⁷ СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01–99 “Строительная климатология”».

⁸ Федеральный закон РФ от 30 декабря 2009 года № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

⁹ Свод правил СП 23-101–2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».