Расчет уровня экономически целесообразной теплозащиты зданий для разных районов РФ

Е. Г. Малявина, канд. техн. наук, профессор кафедры ТГВ Национального исследовательского университета «Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), emal@list.ru

А. А. Фролова, канд. техн. наук, доцент кафедры ТГВ НИУ МГСУ, privalova-a@mail.ru

Основная задача настоящей статьи состоит в выяснении влияния различных климатических условий на экономически целесо­образный уровень теплозащиты здания. Эта задача решалась для трех городов – Воркуты, Москвы [1] и Астрахани [2], основные климатические характеристики которых приведены в табл. 1.

Примененный в работе подход к выбору уровня теплозащиты отличается от общепринятого, во-первых, учетом всех составляющих капитальных и эксплуатационных затрат, на которые влияет теплозащита, и, во-вторых, учетом затрат энергии на круглогодичное поддержание заданных параметров внутренней среды. В расчетах совокупных дисконтированных затрат на круглогодичное обслуживание зданий принята норма дисконта 10 %. В статье [5] приведена методика экономической оптимизации сопротивления теплопередаче наружных стен. Методика может применяться в реальных расчетах при условиях расширения списка составляющих капитальных и эксплуатационных расходов и рассмотрения круглогодичного теплового режима помещения.

Воркута – город с продолжительным отопительным периодом – 298 суток при низкой (–9,5 °С) средней температуре. Причем система отопления работала в этот период круглосуточно. Система охлаждения помещения работала только в рабочее время. Температура наружного воздуха выше +5 °С, то есть период машинного охлаждения, длится около 84 суток. При этом температура выше поддерживаемых в помещении при машинном охлаждении +22 °С, т. е. когда для сокращения теплопоступлений нужна усиленная теплозащита, бывает крайне редко – трое суток.

Москва – отопительный период длится 205 суток и имеет среднюю температуру –2,2 °С. Период температуры наружного воздуха выше +5 °С продолжается около 178 суток, а выше +22  °С – 12 суток.

Астрахань – отопительный период 165 суток при средней температуре –0,7 °С. Температура наружного воздуха выше +5 °С длится около 228 суток. Температура выше поддерживаемых в помещении при машинном охлаждении +22 °С наблюдается около 75 суток.

Было рассмотрено три варианта теплозащиты здания, отличающихся друг от друга сопротивлением теплопередаче наружной стены и покрытия. Для варианта 1 сопротивления теплопередаче приближаются к нормируемым формулой (5.4) СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [6] по санитарно-гигиеническим условиям. Вариант 3 теплозащиты соответствует базовым нормам исходя из энергосбережения по табл. 3 того же СП. Для варианта 2 сопротивления теплопередаче наружных стен и покрытий рассчитаны по формуле (5.1) того же СП с применением понижающего коэффициента 0,63 для стен и 0,8 для покрытия по отношению к варианту 3. Величины сопротивлений теплопередаче, м² · °С/Вт, приведены в табл. 2.

Расчету подвергались здания прямоугольной формы с одинаковой шириной 20,2 м.

Удельные теплопоступления в помещения учитывались с 9 до 18 часов и выбраны на трех уровнях: 0, 40, 80 Вт/м². В эту величину не входит проникающая через окна солнечная радиация.

Границы между зонами экономически выгодных вариантов теплозащиты общественных зданий с рабочим днем с 9:00 до 18:00 приведены на рис. 1.

Рисунок 1 Экономически целесообразные варианты утепления зданий: в Воркуте (а–в); в Москве (г–е); в Астрахани (ж–и); при отсутствии внутренних тепловыделений (а, г, ж); при внутренних тепловыделениях 40 Вт / м2 (б, д, з); при внутренних тепловыделениях 80 Вт/м2 (в, е, и); 1, 2, 3 – границы, отделяющие зону выгодности варианта теплозащиты 3 (выше линий 1, 2, 3) от варианта теплозащиты 2 (ниже линий 1, 2, 3 до линий 4, 5, 6) соответственно при стоимостях утепления 22 000 руб./м3, 15 000 руб./м3, 9000 руб./м3; 4, 5, 6 – границы, отделяющие зону выгодности варианта теплозащиты 2 (выше линий 4, 5, 6 до линий 1, 2, 3) от варианта теплозащиты 1 (ниже линий 4, 5, 6) соответственно при стоимостях утепления 22 000 руб./ м3, 15 000 руб./м3, 9000 руб./м3

Из рисунков видно, что с экономической точки зрения чем меньше здание (больше kоб), тем в большей степени выгодно утепление по санитарно-гигиеническим нормам (вариант 1). Оно более выгодно при низких СДЗ. С возрастанием внутренних тепловыделений увеличивается зона сочетаний СДЗ/м² и k_об с выгодностью утепления по санитарно-гигиеническим нормам.

Выводы

1. Решение об уровне утепления здания должно приниматься на основе расчетов с учетом как климатических факторов, так и всех других, влияющих на формирование выгодности принимаемого варианта.

2. Чем длиннее и жестче отопительный период, тем зона 3 сочетаний СДЗ/м² и удельной теплозащитной характеристики, относящаяся к базовому утеплению, больше. Она в большей степени относится к зданиям с дорогими утеплителями и инженерными системами. Кроме того, к выгоде базового утепления здания приводит продолжительный охладительный период с температурой наружного воздуха выше температуры, поддерживаемой в помещении (в данном случае +22 °С). Однако в Астрахани даже при увеличении СДЗ/м² оказалось невыгодным для рассмотренных зданий утепление по базовым нормам при стоимости утепления 22 000 руб./м³, а при внутренних теплопоступлениях 80 Вт/м² – и при стоимости утепления 15 000 руб./м³.

3. В холодном климате (Воркута) зона выгодности уменьшенного по отношению к базовому сопротивления теплопередаче мала. Однако в средней полосе РФ (Москва) и даже на юге РФ (Астрахань) эта зона больше зоны выгодности базового утепления.

Литература

1. Малявина Е. Г., Фролова А. А. Экономическое обоснование выбора теплозащиты офисных зданий / Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2018. – № 9(717). – С. 56–65.

2. Малявина Е. Г., Фролова А. А. Влияние климатических особенностей района строительства на экономически выгодный уровень тепловой защиты офисных зданий / Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2020. – № 11(743). – С. 89–99.

3. СНиП II-A.6-72. Строительная климатология и геофизика. – М.: Стройиздат, 1973.

4. Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП 23-01-99* / Под ред. чл.-кор. Савина В. К. – М.: НИИ строительной физики РААСН, 2006.

5. Ковалев И. Н., Табунщиков Ю. А. Особенности оптимизации толщины утеплителя наружных стен зданий. Системные аспекты // Энергосбережение. – 2017. – № 8. – С. 22–32.

6. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 2223-02-2003 с Изменениями 1, 2. – М.: Стандарт­информ, 2018; ФГБУ «РСТ», 2022.