Теплоэнергетические нормативы для теплозащиты зданий

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, член-корр. РААСН

М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ

Н. В. Шилкин, инженер, НИИСФ

1. Введение

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию Федеральных нормативных документов и по созданию системы региональных нормативных документов. В первую очередь и главным образом это относится к нормативным документам по энергосбережению в зданиях. Нормирование теплопотребления и теплопотерь здания потребовало использования в нормативных документах ряда новых терминов, например, "здание с эффективным использованием энергии", "удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период", "теплозащита здания", "удельная тепловая характеристика здания", "удельная энергоемкость системы отопления здания за отопительный период" и другие. Имея в виду здесь разработку МГСН 2.01-94 и МГСН 2.01-99, отметим, что это была новаторская работа, выполненная в сложных условиях переходного периода, сформулировавшая реальные пути повышения тепловой эффективности зданий массовой застройки.

Теперь задача широкого круга пользователей этих документов - принять участие в их совершенствовании, как, собственно говоря, традиционно было со всеми нормативными документами. Представляется, что это совершенствование должно осуществляться, как минимум, в двух направлениях: в части терминологии и в части нормативных показателей.

2. О терминологии и сущности понятий

Удельный расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода определяется в МГСН 2.01-99 как количество теплоты за отопительный период, необходимое для поддержания в здании нормируемых параметров, отнесенное к единице общей отапливаемой площади здания. Известно, что при одних и тех же теплопотерях здания затраты энергии для поддержания нормативных параметров зависят от вида (типа) системы отопления и системы вентиляции. Таким образом, оправдано сравнение удельного расхода тепловой энергии на отопление для зданий с одинаковыми системами отопления и системами вентиляции. Понимая, что коль скоро целью МГСН является повышение теплозащиты зданий, надо использовать (применять) значения удельных теплопотерь здания, например, за отопительный период или за наиболее холодную пятидневку. Отношение величины удельных теплопотерь здания (обозначим эту величину q_T, кВт·ч/м²) к величине удельного расхода тепловой энергии на отопление без учета бытовых тепловыделений и теплопоступлений от солнечной радиации (q_h, кВт˙ч/м²) характеризует эффективность (или КПД) системы отопления: чем ближе эта величина к единице, тем лучше выбрана система отопления и тем меньше энергия, потребляемая от источника теплоснабжения системы отопления.

Рисунок  1. Оптимальный учет направленного воздействия наружного климата в тепловом балансе здания приводит к изменению его форм

Согласно МГСН 2.01-99 потребность в тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, а также удельный расход тепловой энергии на отопление здания определяются с учетом теплопоступлений от солнечной радиации. Очевидно, что для зданий с одинаковыми общими площадями наружных ограждающих конструкций A^sum_e, м², или с одинаковыми отапливаемыми объемами V_h, м³, вклад солнечной радиации в тепловой баланс здания зависит от его ориентации, формы и соотношения площадей наружных ограждений. В работе [1] показано, что для зданий прямоугольной формы оптимальный учет воздействия солнечной радиации на оболочку здания, то есть ее вклад в тепловой баланс здания, позволяет уменьшить потребность в тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода до 15%. Следовательно, удельный расход тепловой энергии системой отопления здания за отопительный период q_h, кВт·ч/м², может быть уменьшен за счет выбора ориентации, формы и размеров здания таким образом, чтобы воздействие солнечной радиации на оболочку здания было оптимальным. Учитывая, что, как правило, влияние солнечной радиации на тепловой баланс здания в холодное время года является положительным, а в теплое время года - отрицательным, выбор ориентации, формы и размеров здания должен осуществляться с учетом цели, которую надо достичь: уменьшение затрат энергии на отопление или уменьшение затрат энергии на охлаждение здания.

Аналогичное положение имеет место при учете влияния ветра на тепловой баланс здания.

В работе [1] также показано, что для каждого здания с заданной общей площадью наружных ограждающих конструкций A^sum_e, м², или с заданным отапливаемым объемом V_h, м³, и принятыми значениями теплозащиты ограждающих конструкций имеет место абсолютно минимальное значение удельных теплопотерь, которое достигается за счет оптимального учета влияния солнечной радиации и ветра на тепловой баланс здания. Здесь будет показано, что это значение может быть принято в качестве минимального нормативного.

3. Минимальная удельная тепловая характеристика как нормативное значение

Интенсивность солнечной радиации, скорость и направление ветра есть функции географического положения местности и времени года. Воздействие солнечной радиации и ветра на здание есть теплоэнергетическое воздействие наружного климата. Величина теплоэнергетического воздействия солнечной радиации на один квадратный метр наружной поверхности здания в Вт/м² равна величине поглощенной этой поверхностью падающей солнечной радиации, а величина теплоэнергетического воздействия ветра в Вт/м² равна crv(t_int - t_ext), где обозначено: r, c, t_int, t_ext - соответственно плотность в кг/м³, удельная теплоемкость в Дж/(кг·°С), температура внутреннего и наружного воздуха в °C; v - скорость ветра в м/с.

Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на поверхность здания может оказывать положительное или отрицательное влияние на его тепловой баланс и, следовательно, теплоэнергетическую нагрузку на систему отопления и кондиционирования воздуха. Например, воздействие солнечной радиации на здание в зимнее время снижает нагрузку на систему отопления. Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно оптимизировать за счет выбора при проектировании формы и ориентации здания. Эта задача давно привлекает внимание специалистов [2, 3, 4]. Рассмотрим эту возможность.

В зависимости от положения и ориентации наружной поверхности здания она подвергается различному теплоэнергетическому воздействию наружного климата. Рассмотрим возможность оптимизации теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания путем изменения его формы и ориентации.

При отсутствии солнечной радиации и ветра и при отрицательных значениях температуры наружного воздуха наименьшие теплопотери через ограждения обеспечивает сферическая форма здания (рис. 1А). Наиболее приближенной к сфере фигурой является куб (рис. 1Б). Следовательно, если имеет место только температурное воздействие наружного климата на здание, то идеальной формой здания является куб. Но теплоэнергетическое воздействие солнечной радиации и ветра на различно ориентированные поверхности здания также различно. Для увеличения теплопоступлений от солнечной радиации в зимнее время необходимо увеличить площадь ограждений южной ориентации, так как в зимнее время на поверхность южной ориентации поступает тепла солнечной радиации даже больше, чем в летнее. Таким образом, чтобы оптимальным образом учесть влияние солнечной радиации и ветра на тепловой баланс здания, его форма должна быть изменена от кубической к параллелограмму (рис. 1В).

В [1] было получено выражение для определения минимальной удельной тепловой характеристики q^min_h здания прямоугольной формы, если его ориентация и форма оптимальным образом учитывают теплоэнергетическое воздействие наружного климата:

Здесь A_h, h, p_i - соответственно общая площадь здания, высота этажа и коэффициент остекления; q_wi и q_Fi - соответственно тепловые потоки через стены и заполнения световых проемов, вычисляемые с учетом падающей солнечной радиации и фильтрации воздуха по формулам, приведенным, например, в [1]; i=1, 2,..., 6; индексы i=1, i=3 относятся к продольным стенам, i=2, i=4 относятся к торцевым стенам, i=5 - к покрытию, i=6 - к цокольному перекрытию.

Связь между формулой (1) и формулой (3.12) МГСН 2.01-99 имеет следующий вид:

где Q^y_int, v, b_hi, A_h - то же, что в п. 3.5.6 МГСН 2.01-99.

Принципиальным отличием величин, рассчитанных по формуле (2) и по формуле (3.12) МГСН 2.01-99, является то, что расчет по формуле (2) дает минимальное значение расчетного удельного расхода энергии на отопление здания, когда его ориентация и форма оптимальным образом учитывают теплоэнергетическое воздействие наружного климата на здание.

По существу формулы (3.12) МГСН 2.01-99 хотелось бы отметить следующее: расчет потребности в тепловой энергии на отопление здания по формуле (3.9) МГСН выполняется с учетом бытовых теплопоступлений, что отвечает существу задачи расчета, но вряд ли правильно учитывает бытовые теплопоступления при определении "расчетного удельного расхода энергии на отопление здания", который отражает теплозащитные качества здания.

Используя формулу (2), можно определить расчетный минимальный удельный расход тепловой энергии на отопление проектируемого здания и сравнить его с расчетным удельным расходом тепловой энергии на отопление здания, рассчитанным в соответствии с требованиями МГСН 2.01-99 по формуле (3.12). Если отличие будет значительным даже при условии, что характеристика, рассчитанная по МГСН 2.01-99, удовлетворяет нормативным требованиям таблицы 3.3 МГСН, это означает, что ориентация и размеры проектируемого здания существенно не оптимальным образом учитывают теплоэнергетическое воздействие наружного климата и проект здания нуждается в корректировке.

Отнеся расчетный минимальный удельный расход тепловой энергии на отопление здания q^des_h.min к расчетному удельному расходу тепловой энергии на отопление здания q desh, принятого к проектированию, введем показатель, характеризующий теплоэнергетическую эффективность проектного решения:

e=q^des_h.min/q^des_h (3)

Если величина e существенно отличается от единицы (например, меньше 0,7), то проектируемое здание нуждается в корректировке в части оптимизации учета теплоэнергетического воздействия наружного климата.

Проведем сопоставительные расчеты для здания серии П44Т-1/17Н1, расположенного в Москве. Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление был рассчитан по методике, изложенной в МГСН 2.01-99 [5]. Затем удельный расход был рассчитан по формуле (2), учитывающей оптимальным образом направленное воздействие на здание наружного климата. При расчете по формулам (2) настоящей статьи значения интенсивности солнечной радиации принимались по табл. 3.5 МГСН. Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания серии П44Т-1/17Н1 равен 102,0 (эта величина отражена в энергетическом паспорте здания). Удельный расход тепловой энергии на отопление здания, рассчитанный по формуле (2), равен 78,0, и показатель теплоэнергетической эффективности проектного решения равен 0,77. Чтобы оптимальным образом учесть влияние солнечной радиации, здание должно иметь меридиональную ориентацию и размеры в плане северной и южной сторон 16,7 м, западной и восточной - 18,8 м, число этажей - 25.

Таким образом, оптимальный учет теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание позволяет снизить удельный расход тепловой энергии на отопление на 23%.

Представляется, что разработка проекта здания на основе величины удельного расхода тепловой энергии системой отопления проектируемого здания за отопительный период (п. 3.3.1 МГСН 2.01-99) может быть оправдана в том случае, если ставится задача об экономии топливно-энергетических ресурсов в течение отопительного периода. Однако, в ряде случаев определяющим показателем энергоэффективности здания является установочная мощность системы отопления. В этом случае разрабатывать проект здания следует на основе величины удельного расхода тепловой энергии системой отопления проектируемого здания для наиболее холодной пятидневки. Более общий случай имеет место, когда здание оборудовано системой кондиционирования воздуха для охлаждения в летнее время. Здесь разрабатывать проект следует с учетом удельных расходов энергии для холодного и теплого периодов года.

В результате представляется целесообразным рассмотреть вопрос о введении в нормативные документы удельных теплоэнергетических показателей зданий, определяющих их теплоэнергопотребление в характерные расчетные периоды времени: наиболее холодную пятидневку, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения и т. д. Уровень энергетических затрат в характерные расчетные периоды времени будет являться основанием для выбора расчетного значения удельного теплоэнергетического показателя. Предлагается следующая система удельных теплоэнергетических показателей здания (см. таблицу на с. 28).

Формула (2) позволяет выполнить расчет минимальных удельных тепловых характеристик для всей представленной выше системы удельных теплоэнергетических показателей зданий при подстановке в нее соответствующих климатических параметров.

Литература:

1. Бродач М. М. Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания. Научные труды НИИ строительной физики. М., 1987. Тепловой режим и долговечность зданий.
2. Брайнина Е. Ю. Пути снижения теплопотерь крупнопанельных зданий. Научно-техническое общество строительной индустрии, материалы совещания. М., 1964. Тепловой режим жилых и общественных зданий из крупноразмерных элементов. Выпуск III.
3. Денисов П. П. Показатель влияния объемно-планировочного решения здания на расход тепла. - "Жилищное строительство", 1981, №1.
4. Денисов П. П. Теплоэнергетическая оценка зданий различной этажности. - "Жилищное строительство", 1983, №5.
5. Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению. Московские городские строительные нормы МГСН 2.01-99