Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Методы расчета и проектирования ограждающих конструкций зданий

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

В. В. Кожин, доцент кафедры систем жизнеобеспечения объектов наземной космической инфраструктуры ФГБВОУ ВО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского» Министерства обороны РФ

Аннотация

В статье представлено описание методов расчета и принципов нормирования теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций зданий. Показано различие методов, принятых в Российской Федерации и странах Европейского союза. Нормативные требования к уровню ограждающих конструкций представлены на примере Москвы и Финляндии, климатологические характеристики которых приближены.

Ключевые слова: здания, проектирование, теплоизоляция, тепловая защита, нормативные требования, методы расчета, энергосбережение, энергоэффективность.

Вводная часть

Потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции (так называемые трансмиссионные потери тепловой энергии) являются наиболее значительными в структуре затрат тепловой энергии на отопление зданий. Для восполнения потерь тепловой энергии к зданию необходимо подвести тепло, т. е. подключить его к системе отопления. Чем выше уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, тем меньшими оказываются потери тепловой энергии в здании через оболочку. 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 вводятся 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 и пр.) в большинстве стран мира нормативы потребления зданиями энергии периодически уменьшаются, а требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций, как правило, повышаются.

Сравнение подходов к нормированию и проектированию, принятых в странах ЕС и России

В России и странах Евросоюза существуют принципиальные отличия как к нормативным требованиям к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, так и к методам их расчета и проектирования.

Для более детального обзора существующих подходов рассмотрим сравнение методов расчета строительных конструкций и нормирования требований к ним по теплоизоляции, принятых в странах ЕС (на примере Финляндии) и России. Финляндия выбрана в связи с тем, что на большей части ее территории климатологические характеристики (продолжительность отопительного сезона и температуры наружного воздуха в данный период) сопоставимы с аналогичными характеристиками, принятыми для Москвы и Санкт-Петербурга.

Подход к нормированию, принятый в Европейском союзе

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). В таблице 1 приведены максимально допустимые значения коэффициентов теплопередачи U_i(max) применительно к различным типам наружных ограждающих конструкций зданий, проектируемых на территории Финляндии и отапливаемых в полном объеме в течение отопительного периода (согласно требованиям п. 2.5.4 стандарта Финляндии [1]).

При проектировании наружных ограждающих конструкций задачей проектной организации является выбор наружного ограждения, коэффициент теплопередачи которого  должен быть ниже максимально допустимого значения, указанного в таблице 1.

Таблица 1. Максимально допустимые значения коэффициента теплопередачи U_i(max), Вт/(м²∙К), для различных типов наружных ограждающих конструкций

Следует отметить, что в Финляндии нормативы по теплоизоляции наружных ограждений зданий не сразу были введены такими, какими они представлены в таблице 1. Они возрастали постепенно. В таблице 2 показано, как изменялись нормативные требования к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций в Финляндии в период с 1976-го по 2010 годы.

Таблица 2. Изменение требований к уровню теплоизоляции наружных ограждающих конструкций в Финляндии [2]

Постепенное ужесточение требований к уровню теплоизоляции наружной оболочки зданий стимулирует внедрение инновационных 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 устаревающим стандартам. Повышение требований к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций приводит к поиску новых технических и конструктивных решений, к совершенствованию и разработке новых материалов и изделий.

Согласно требованиям стандарта [1], суммарные трансмиссионные потери тепловой энергии (потери тепла через оболочку) в здании , Вт/К, рассчитываются по формуле:

где U_ст, U_{в. перекр,} U_{н. перекр} , U_ок, U_дв— проектные значения коэффициентов теплопередачи соответственно наружных стен, верхнего перекрытия (покрытия, чердачного перекрытия с холодным чердаком), нижнего перекрытия (полов по грунту, перекрытий над неотапливаемым подвалом, перекрытий над проветриваемым подпольем), окон, наружных дверей здания, Вт/(м²∙К);

А_ст, А_{в. перекр,} А_{н. перекр} , А_ок, А_дв— численные значения площадей наружных ограждающих конструкций отапливаемого объема здания, м².

Вторым, и при этом главным, условием при проектировании зданий в Финляндии является обеспечение требуемого расхода энергетических ресурсов. Нормы расхода тепловой энергии на отопление и суммарного энергопотребления зданий приведены в таблице 3.

Таблица 3. Типы зданий и нормы потребляемой энергии для обычных (стандартных) зданий, зданий с низким потреблением энергии, энергопассивных зданий и зданий с потреблением энергии, близким к нулевому [2]

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

— при определении расчетных значений коэффициентов теплопередачи (U-value) — ISO 6946 [3];

— при определении расчетного значения трансмиссионного коэффициента теплопередачи () — ISO 13789 [4].

Стандарт ISO 6946 описывает правила проектирования и расчета уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, которые похожи на те, что были приняты ранее в стандартах Советского Союза [5].

Общее сопротивление теплопередаче, R_T, м²∙К/Вт, плоской ограждающей конструкции, состоящей из однородных слоев, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока, рассчитывается по формуле [3]:

R_{т =} R_{si +}R_{1 +}  R₂ +… R_n+ R_se,                                               (2)

где  R_si — сопротивление теплообмену внутренней поверхности, м²∙К/Вт;

R_{1 ,}  R₂ , Rn— термическое сопротивление каждого слоя, м²∙К/Вт;

R_se — сопротивление теплообмену наружной поверхности, м²∙К/Вт.

Аналогичным образом сопротивление теплопередаче рассчитывалось по стандартам СНиП II-3-79 [6] и СНиП 23-02-2003 [7].

Общее сопротивление теплопередаче, R_T, м²∙К/Вт, ограждающей конструкции, состоящей из термически однородных и неоднородных слоев, параллельных поверхности ограждающей конструкции, рассчитывается как среднее арифметическое значение верхнего  и нижнего пределов  сопротивления теплопередаче по формуле:

                                                            (3)

Верхний R,/т и  нижний R,,/т пределы  общего сопротивления теплопередаче рассчитываются согласно п.п. 6.2.3, 6.2.4 [3] по методике, близкой к той, которая была принята в советском СНиП II-3-79 [6].

Величина коэффициента теплопередачи, Вт/(м²∙К), рассчитывается по формуле [3]:

(4)

где  Rт — то же, что и в формулах (2) и (3), м²∙К/Вт.

На этом расчет не заканчивается. Численные значения коэффициента теплопередачи Uс, рассчитанные по формуле (4), корректируются с учетом:

— наличия воздушных пустот в составе теплоизоляционной конструкции;

— наличия механических крепежных деталей;

— влияния осадков на теплотехнические параметры инверсионных кровель.

Откорректированное значение коэффициента теплопередачи , Вт/(м²∙К), рассчитывается по формуле [3]:

Uс = U + ΔU

Суммарная коррекция ΔU, Вт/( м²∙К), рассчитывается по формуле:

ΔU = ΔUg +  ΔUf  +ΔUr                                                                                             (6)

где ΔUg — коррекция на наличие воздушных пустот, Вт/(м²∙К);

ΔUf  — коррекция на наличие механических крепежных деталей, Вт/(м²∙К);

ΔUr — коррекция влияния осадков на теплотехнические параметры инверсионных кровель, Вт/(м²∙К).

Параметры коррекции ΔUg, ΔUf  ,ΔUr     рассчитываются по Приложению D стандарта ISO 6946 [3].

Откорректированное значение коэффициента теплопередачи  сравнивается с нормативным значением данного параметра, которое регулируется в странах на законодательном уровне. Для Финляндии нормируемые (максимально допустимые) значения коэффициентов теплопередачи приведены в таблице 1. На основании сравнения нормативного и расчетного значений коэффициента теплопередачи определяется требуемая толщина слоя теплоизоляции в составе ограждающей конструкции.

Трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания , Вт/К, 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 [8], либо по формуле [4]:

(7)

где А_i  — площадь i-го элемента ограждающих конструкций здания, м² (размеры окон и дверей принимаются равными размерам проемов в стене);

U_i — коэффициент теплопередачи i-го элемента ограждающих конструкций здания, Вт/(м²·К), рассчитывается по методике стандарта ISO 6946 [3];

l_i — длина линейного теплового моста k-го типа, м;

Ш_i— линейный коэффициент теплопередачи k-го линейного теплового моста, Вт/(м·К);

Х_i— точечный коэффициент теплопередачи j-го точечного теплового моста, Вт/К.

Суммирование производится по всем строительным конструкциям, отделяющим внутреннюю среду здания от внешней среды.

Таким образом, учитываются потери тепловой энергии не только по глади рассматриваемой ограждающей конструкции, но и потери через теплопроводные включения.

В заключение рассчитывается трансмиссионный коэффициент теплопередачи всего здания [4]:

Н_{tr =} H_{d +}H_{g +}  H_u + H_adj  ,                                                                                          (8)

где  H_d — общий трансмиссионный коэффициент теплопередачи через ограждающие конструкции между кондиционируемым пространством и наружной средой, Вт/К;

Hg — трансмиссионный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций, контактирующих с грунтом, Вт/К;

H_u  — трансмиссионный коэффициент теплопередачи через некондиционируемые пространства, Вт/К;

H_adj — трансмиссионный коэффициент теплопередачи через соседние здания, Вт/К.

Таким образом, в Европейском союзе принят подход, согласно которому выбор толщины слоя теплоизоляции в составе наружных ограждающих конструкций определяется по достаточно простым аналитическим формулам, не требующим специальных методов математического моделирования или прикладных программ. При расчете трансмиссионного коэффициента теплопередачи через наружные ограждения по формуле (7) учитываются как потери тепла 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 Hg, представлена в стандарте ISO 13370 [9].

В алгоритмах расчета зданий, проектируемых по стандарту Passivhaus, коэффициент теплопередачи окна , Вт/(м²∙К), рассчитывается с учетом потерь тепла через светопрозрачное заполнение, раму, уплотнитель и зону сопряжения оконного блока со стеновым проемом (границу установки) [10]:

где  Uglazing— коэффициент теплопередачи светопрозрачного заполнения (стеклопакета), Вт/(м²∙К);

Рис. 1. Размеры, принимаемые для определения коэффициента теплопередачи окна

Aglazing— площадь светопрозрачного заполнения (стеклопакета), м²;

Uframe— коэффициент теплопередачи рамы (коробки), Вт/(м²∙К);

Aframe— площадь рамы (коробки), м²;

Iglazing— периметр остекления, м;

Шspaser— линейный коэффициент теплопередачи через уплотняющую прокладку, расположенную в месте стыка светопрозрачного заполнения (стеклопакета) с рамой, Вт/(м·К);

Iwindow— периметр рамы (граница установки), м;

Шinstallation— линейный коэффициент теплопередачи через тепловые мосты в зоне сопряжения оконного блока со стеновым проемом, Вт/(м·К);

Awindow — общая площадь окна (стенового проема), м².

Размеры, принимаемые для определения коэффициента теплопередачи окна, схематично представлены на рис. 1.

Окно состоит не только из рамы и светопрозрачного заполнения, но также из сопряжения со стеновым проемом, а между стеклом и рамой расположена уплотняющая прокладка. Указанные сопряжения имеют эффект тепловых мостов (дополнительных потерь тепла). Эффект тепловых мостов зависит от величин линейных коэффициентов теплопередачи    Шspaser и Шinstallation , подставляемых в уравнение (9), и может быть уменьшен при замене уплотняющей прокладки на более эффективную, а также при оптимальной установке оконного блока.

Таким образом, потери тепла через зону сопряжения окна со стеновым проемом отнесены к окнам, а не стенам, как это принято в СП 50.13330, в котором потери через оконные откосы учитываются при расчете приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен. Стоит отметить, что в монографии К. Ф. Фокина [11] принят аналогичный подход. Для расчета полного коэффициента теплопередачи окна k_окна  (в обозначениях, принятых в монографии [11]), предлагается следующая формула:

k_окна = k + Δk,                                                                                                              (10)

где k — коэффициент теплопередачи оконного заполнения без учета потерь через откосы проема (в терминах, принятых в [11]), Вт/(м²∙К);

Δk — дополнительные теплопотери через откосы, Вт/(м²∙К).

Дополнительные теплопотери через откосы  рассчитываются по формуле [11]:

 ,                                                                                                                  (11)

где Qотк — количество тепла, проходящего через 1 м длины оконного откоса, Вт/м;

Qст— уменьшение количества тепла, проходящего через стену в зоне оконного проема, на 1 м периметра оконного проема, Вт/м;

tв— температура воздуха в помещении, К;

tн— температура наружного воздуха, К;

p — периметр оконного проема, м;

F — площадь оконного проема в свету, м².

В монографии [11] представлены также графики зависимости полного коэффициента теплопередачи окна k_окна  в зависимости от толщины стены и отношения периметра оконного проема  к его площади  для нескольких типов окон с деревянными переплетами в кирпичных стенах.

Подход к нормированию, принятый в Российской Федерации

В Российской Федерации в части нормирования уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций действует Свод правил СП 50.13330 [12].

Согласно требованиям п. 5.1 СП 50.13330 [12], теплозащитная оболочка здания должна отвечать следующим требованиям:

а) приведенные сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должны быть не меньше нормируемых значений (поэлементные требования);

б) удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемого значения (комплексное требование);

в) температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений (санитарно-гигиеническое требование).

Основным фактором, оказывающим наибольшее влияние на потребление в зданиях тепловой энергии на отопление, является обеспечение поэлементных требований (требований «а») п. 5.1 СП 50.13330 [12].

Требования «а» (поэлементные требования) аналитически можно выразить в виде следующего условия:

                              (12)

При этом нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции следует определять по формуле:

(13)

где  Rтр/0— базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, которое следует принимать в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) региона строительства и определять по таблице 3 СП 50.13330 [12];

mp— коэффициент, учитывающий особенности региона строительства.

В расчете по формуле (13) mp  принимается равным 1. При этом допускается снижение значения коэффициента mp в случае, если одновременно выполняются требования п. 10.1 [12]. Значения коэффициента  mp при этом должны быть не менее: mp= 0,63 — для стен, mp= 0,95 — для светопрозрачных конструкций, mp= 0,8 — для остальных ограждающих конструкций.

С введением поправочного коэффициента  повторяется принцип нормирования, установленный в СНиП 23-02 [7].

Далее в таблице 3 приводятся базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, которые практически полностью воспроизводят данные таблицы 4 СНиП 23-02 [7].

Несмотря на идентичность данных, принятых в таблице 4 СНиП 23-02 [7] и таблице 3 СП 50.13330 [12], нормируемые требования к уровню тепловой защиты, согласно требованиям СП 50.13330, оказались ниже аналогичных требований СНиП 23-02.

Различие обусловлено тем, что вместе с актуализацией стандарта по тепловой защите (СНиП 23-02) был актуализирован и стандарт по строительной климатологии (СНиП 23-01 [13]). В СНиП 23-02 [7] при определении климатических параметров отопительного периода последние принимались согласно данным СНиП 23-01 [13], в СП 50.13330 [12] — СП 131.13330 [14].

По сравнению с предыдущей редакцией стандарта по строительной климатологии в актуализированной редакции (СП 131.13330)  для ряда крупных населенных пунктов, включая Москву и Санкт-Петербург, повысилась средняя температура наружного воздуха за отопительный период, а продолжительность отопительного периода сократилась. Применительно к климатическим условиям Москвы средняя температура наружного воздуха за отопительный период для жилых зданий по стандарту СНиП 23-01 [13] принималась равной минус 3,1 ºС, а в СП 131.13330 [13] стала равной минус 2,2 ºС; продолжительность отопительного периода, согласно СНиП 23-01 [11], принималась равной 214 суткам, в СП 131.13330 [14] стала равной 205 суткам. Неизменной в формуле расчета градусо-суток отопительного периода осталась лишь принимаемая для жилых зданий температура внутреннего воздуха, которая, согласно ГОСТ 30494 [15], как была, так и осталась равной плюс 20 ºС.

В результате изменений расчетных климатических параметров изменилось расчетное значение ГСОП для жилых зданий, проектируемых в Москве, которое до введения СП 50.13330 [12] принималось равным 4943 ºС∙сут [13], а с введением с 1 июня 2015 года актуализированной редакции Свода правил по строительной климатологии [14] принимается равным 4551 ºС∙сут.

Ввиду изменения ГСОП изменились нормативные требования к уровню нормируемого сопротивления теплопередаче. В таблице 4 представлены требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче согласно редакции стандарта по тепловой защите 2003 года (СНиП 23-02 [7]) и 2012 года (СП 50.13330 [12]) применительно к старым и новым климатическим условиям города Москвы.

Таблица 4. Требуемые для климатических условий города Москвы значения приведенного сопротивления теплопередаче согласно стандартам СНиП 23-02 [7] и СП 50.13330 [12]

Как следует из данных, представленных в таблице 4, нормативные требования к уровню тепловой защиты незначительно, но оказались ниже требований стандартов 2003 года (т. е. СНиП 23-02 [7]) и даже 1995 года (таблица 1б СНиП II-3-79* [6]).

Нормативные требования к уровню тепловой защиты основных типов ограждающих конструкций, рассчитанные по формуле (13) с учетом понижающего коэффициента , применительно для климатических условий города Москвы представлены в таблице 5.

Таблица 5. Требуемые для климатических условий города Москвы значения приведенного сопротивления теплопередаче согласно стандартам СНиП 23-02 [7] и СП 50.13330 [12]

Безусловно, в связи с тем, что расчетное значение приведенного сопротивления теплопередаче должно быть равно или выше нормируемого значения, небольшое снижение нормируемых показателей не должно оказать существенного влияния на выбор толщины теплоизоляционного слоя в составе наружных ограждающих конструкций. Однако, если сравнить тренд изменения нормативных требований к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, принятый в Финляндии (см. данные таблицы 2) и России (см. данные таблиц 4 и 5), он оказывается не в пользу последней.

Сравнительный анализ минимально допустимых нормативных требований к уровню теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, проектируемых на территории Финляндии и города Москвы, представлен в таблице 6. Значения требуемых сопротивлений теплопередаче для условий Финляндии рассчитаны на основании данных таблицы 2 по формуле, аналогичной формуле (4).

Таблица 6. Нормативные требования к ограждающим конструкциям по нормам Финляндии [1] и России [12] (для России — применительно к климатическим условиям города Москвы)

Как следует из данных, представленных в таблице 6, различия в уровне теплоизоляции ограждающих конструкций, принятых в Финляндии и России, существенны. В работах [16, 17] выполнено сравнение трансмиссионных затрат тепловой энергии через оболочку жилого многоквартирного здания при нормировании уровня теплоизоляции ограждающих конструкций по стандартам Финляндии и России. Показано, что трансмиссионные потери тепловой энергии в здании, проектируемом по нормам России, окажутся приблизительно в два раза выше по сравнению потерями в том же здании, проектируемом по нормами Финляндии, при соблюдении одних и тех же требований к параметрам микроклимата внутреннего воздуха, при одинаковых площадях здания, его форме, ориентации фасадов по сторонам света, расчетных количествах жителей, величинах бытовых и солнечных теплопоступлений, составе инженерного оборудования, кратности воздухообмена помещений.

Следует, однако, иметь ввиду различия в методических подходах при расчете сопротивления теплопередаче по стандартам Финляндии и России. В России нормируется так называемое приведенное сопротивление теплопередаче, которое рассчитывается по формуле (Е.1) Приложения Е СП 50.13330 [12]:

                            (14)

где  Rусл/о— осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, м^{2 о}С/Вт;

l_j — протяженность линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м²;

Y_j — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м·^оС);

n_k — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт/м²;

χ_k — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/^оС;

a_i — площадь плоского элемента конструкции i-го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м²/м².

Таким образом, формула (14) учитывает не только потери по глади ограждающей конструкции, но также через линейные и точеные неоднородности, имеющие место в ее составе. С позиции подхода, принятого в российском стандарте [12], в Финляндии нормируется условное сопротивление теплопередаче (если не считать коррекцию расчетного коэффициента теплопередачи согласно [3]). Поэтому сравнивать две эти величины (условное и приведенное сопротивление теплопередаче) в общем случае некорректно. Приведенное сопротивление теплопередаче зависит не только от толщины слоя теплоизоляции, но и от теплопроводных включений (их состава, свойств, количества, протяженности).

Однако с учетом параметров коррекции, которые должны учитываться при расчете коэффициента теплопередачи по стандарту ISO 6946 [3], его расчетное значение нельзя в полной мере относить к условному. Кроме того, если сравнить формулы (7) и (14), то можно видеть, что правая часть выражения в формуле (7) практически совпадает со знаменателем правой части выражения в формуле (14). Удельные потери теплоты в правой части формулы (7) приведены в числителе, формулы (14) — в знаменателе.

Главное отличие подходов, принятых в России и странах ЕС при выборе требуемой толщины слоя теплоизоляции, состоит в том, что по нормам ЕС толщина слоя теплоизоляции подбирается без учета состава и свойств теплопроводных включений. В российском подходе нормируется приведенное сопротивление теплопередаче, которое одновременно учитывает и толщину слоя теплоизоляции, и влияние теплопроводных включений.

Следует отметить, что определение условного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции  в натурных условиях значительно затруднено ввиду нестационарности теплового потока. В этой связи определение приведенного сопротивления теплопередаче оболочки здания практически недостижимо. Одна и та же стеновая конструкция при одинаковом конструктивном исполнении, одной и той же толщине составляющих ее слоев, но при разной этажности здания, различной степени остекленности фасадов будет иметь различное приведенное сопротивление теплопередаче. Существуют методы оценки приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, но все они будут иметь значительную погрешность, тем более, если будет сравниваться проектное и фактическое приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции.

Минимальная толщина слоя минераловатной теплоизоляции в наружных стенах зданий, проектируемых в Финляндии, составляет 250 мм, а чаще принимается близкой к 350 мм. В Москве толщина слоя теплоизоляции из минеральной ваты 200 мм является максимальной, а чаще всего не превышает 150 мм. Это показывает, какой подход к нормированию теплозащитной оболочки зданий является более корректным с точки зрения минимизации потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции.

Влияние теплопроводных включений

Теплопроводные включения оказывают существенное влияние на потери тепловой энергии через оболочку здания. Их неполный учет может привести к различию расчетных и фактических потерь тепловой энергии через оболочку здания и, как следствие, сказаться на расхождении фактических и расчетных значений удельного энергопотребления введенного в эксплуатацию нового здания.

В работе [18] показано, что расчетный коэффициент теплотехнической однородности r наружной ограждающей конструкции, выполненной кладкой из газобетонных блоков (толщиной 375 мм) с облицовочным каменным слоем из глиняного кирпича (120 мм), составляет 0,61. Соответственно, при условном сопротивлении теплопередаче такой стены 2,99 м²·°С/Вт приведенное сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции наружной стены составит 0,61×2,99 = 1,81 м²·°С/Вт. В работе [19] для аналогичного конструктивного решения получено еще более низкое расчетное значение коэффициента теплотехнической однородности r = 0,48. В результате использования при строительстве блоков со сколами и выбоинами и некачественного выполнения строительно-монтажных работ по возведению ограждающих конструкций коэффициент теплотехнической однородности может оказаться еще ниже расчетного (проектного). В работах [20–22] показано, что область применения наружных стен, выполненных кладкой из газобетонных блоков без дополнительного утепления теплоизоляционными изделиями, ограничена ГСОП 4200 °С·сут. При этом такие стены продолжают возводиться не только в Москве и Петербурге (с ГСОП около 4500 °С·сут), но и в более холодных районах Российской Федерации.

Как было показано выше, в Своде правил [12] приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций рассчитывается по формуле (14), которая учитывает не только потери тепловой энергии по глади наружных

неоднородности. По сравнению с предыдущей версии стандарта по тепловой защите [7] в Своде правил [10] методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче является более подробной, но от этого далеко не исчерпывающей.

В СП 50.133330 [12] отсутствуют требования к выбору расчетных участков (фрагментов) ограждающих конструкций, граничных условий, к трактовке результатов расчета, программному обеспечению. Ввиду этого пример расчета приведенного сопротивления теплопередаче фасада жилого здания, представленный в Приложении Н [12], не может быть количественно проанализирован. Температурные поля рассматриваемых в Приложении Н [12] узлов конструкции фасада неоднозначно трактуемы и непоказательны. Для несветопрозрачных ограждающих конструкций пример расчета представлен только для фасада и только одного его типа (стена с теплоизоляционной фасадной системой с тонким штукатурным слоем). Для светопрозрачных ограждающих конструкций в СП 50.13330 [12] приведен приближенный метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче. Пример расчета приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной ограждающей конструкции отсутствует. В этой связи пользоваться данным методом расчета сложно. Особенно в связи с тем, что расчет удельных потерь теплоты через линейные элементы рекомендуется производить в соответствии с Приложением Е. Критика данного подхода и метода расчета подробно представлена в работах [23, 24].

В дополнение к Своду правил СП 50.13330 [12] был разработан Свод правил добровольного применения СП 230.1325800 [25], который содержит значительно больше узлов и конструктивных решений. Однако многие распространенные в строительной практике конструктивные решения и узлы в данном Своде правил отсутствуют. Например, в нем нет таблиц расчетных значений удельных потерь теплоты через кронштейны вентилируемых фасадов, притом что данный тип наружных стен является одним из наиболее распространенных вариантов утепления. Кроме того, в данном Своде правил значительное место уделено наружным стенам и совершенно недостаточное внимание уделено другим видам ограждающих конструкций (покрытиям, чердачным перекрытиям, перекрытиям над неотапливаемыми подвалами и техподпольями и т. д.). В реальной практике проектирования СП 230.1325800 [25] получил даже большее распространение, чем СП 50.13330 [12]. С одной стороны, это свидетельствует о более детальной проработке конструктивных решений и учету теплопроводных включений. С другой стороны, отсутствие в СП 230.1325800 [25] значительного количества узлов с теплопроводными включениями ограничивает область действия и данного стандарта. Кроме того, постоянное совершенствование технических решений и применяемых строительных материалов при отсутствии проработанных в СП 230.1325800 [25] узлов ограничивает их область применения или замедляет их использование в строительстве. По этой причине включение новых технических решений и узлов строительных конструкций делает процесс совершенствования нормативной базы по данному вопросу бесконечным. Светопрозрачным ограждающим конструкциям в Своде правил [25] внимания снова не уделено.

Недостаточная проработка технических решений и неполный учет влияния потерь тепла через теплопроводные включения (неоднородности в составе ограждающих конструкций) могут приводить к несоответствию расчетных (проектных) и фактических значений сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций, а следовательно, к расхождению расчетных (проектных) и фактических значений удельного энергопотребления зданий, т. к. в распределении потерь тепловой энергии на отопление трансмиссионные потери тепла через оболочку здания составляют более 50%.

Заключение

Методический подход к нормированию и проектированию наружной оболочки зданий, принятый в стандартах стран Европейского союза, представляется более целостным и правильным. Нормативные требования к уровню теплоизоляции наружных ограждающих конструкций в странах ЕС, сопоставимых по климату с условиями Москвы, оказываются существенно выше. Однако сравнивать их напрямую некорректно, т. к. в странах ЕС нормируется коэффициент теплопередачи, численное значение которого учитывает некоторые параметры коррекции, но рассчитывается в основном без учета их влияния, а в России нормируется так называемое приведенное сопротивление теплопередаче, численное значение которого зависит не только от толщины слоя теплоизоляции, но и от состава теплопроводных включений. По нормам ЕС толщина слоя теплоизоляции подбирается на основании простых аналитических выражений, а трансмиссионные потери рассчитываются с учетом теплопроводных включений, т. е. требуемая толщина слоя теплоизоляции не зависит от состава и свойств теплопроводных включений. В российском подходе нормируется приведенное сопротивление теплопередаче, которое одновременно учитывает и толщину слоя теплоизоляции, и влияние теплопроводных включений. Различие подходов приводит к тому, что в зданиях, проектируемых в Финляндии, толщина слоя теплоизоляции (например, минераловатной) в составе ограждающих конструкциях оказывается примерно в два раза больше, чем в России, при сопоставим климатологических условиях проектирования и эксплуатации зданий.

Большое значение на соответствие зданий требованиям по тепловой защите оказывают теплопроводные включения в составе ограждающих конструкций. Неполный учет теплопроводных включений и потерь тепловой энергии через них может привести к различию расчетных и фактических потерь тепловой энергии через оболочку здания и, как следствие, сказаться на расхождении фактических и расчетных значений удельного энергопотребления введенного в эксплуатацию нового здания.

Методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче, изложенная в Своде правил СП 50.133330 [12], проработана недостаточно корректно.

В Своде правил СП 230.1325800 [23] приведены далеко не все конструктивные узлы и варианты теплопроводных включений. В частности, отсутствуют таблицы расчетных значений удельных потерь теплоты через кронштейны вентилируемых фасадов — одного из наиболее распространенных типов фасадов, проектируемых и применяемых при строительстве зданий на территории Российской Федерации. Совсем не рассмотрены таблицы расчетных значений удельных потерь теплоты через неоднородности в составе кровельных конструкций и чердачных перекрытий. Оболочка зданий не ограничивается наружными стенами. Постоянное совершенствование технических решений и применяемых строительных материалов при отсутствии проработанных в СП 230.1325800 [23] узлов строительных конструкций ограничивает область применения инновационных технических решений и материалов или замедляет их использование в строительстве.

Литература

1. National Building Code of Finland, Part D3.
2. П. Сормунен. Энергоэффективность зданий. Ситуация в Финляндии // Инженерно-строительный журнал, 2010. № 1. С. 7–8.
3. ISO 6946 Building components and building elements — Thermal resistance and thermal transmittance — Calculation method.
4. ISO 13789 Thermal performance of buildings — Transmission and ventilation heat transfer coefficients — Calculation method.
5. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3. С. 7–37.
6. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника.
7. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.
8. ISO 10211 Thermal bridges in building construction — Heat flows and surfaces temperatures — Detail calculations.
9. ISO 13370 Thermal performance of buildings — Heat transfer via the ground — Calculation methods.
10. Файст В. Окно в здании: упрощенная методика расчета тепловых мостов. Passivhaus Institut, Дармштадт. 1998.
11. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. — 5-е изд., пересмотр. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.
12. СП 50.133330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003) Тепловая защита зданий.
13. СНиП 23-01-99* Строительная климатология.
14. СП 131.13330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*) Строительная климатология.
15. ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
16. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Немова Д. В. Экономим или нет? Российские энергосберегающие требования // Энергосбережение. 2014. № 2. С. 27–32.
17. Ватин Н. И., Немова Д. В., Рымкевич П. П., Горшков А. С. Влияние уровня тепловой защиты ограждающих конструкций на величину потерь тепловой энергии в здании // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8. С. 9–13.
18. Gorshkov A., Ivanova E. Reduced Thermal Resistance of a Two-Layer Wall Construction // Applied Mechanics and Materials. 2015. T. 633–634. C. 897–903.
19. Гагарин В. Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 297–305.
20. Горшков А. С., Ватин Н. И., Корниенко С. В., Пестряков И. И. Соответствие стен из автоклавного газобетона современным требованиям по тепловой защите зданий // Энергосбережение. 2016. № 3. С. 62–69.
21. Ватин Н. И. Горшков А. С., Корниенко С. В., Песряков И. И. Потребительские свойства стеновых изделий из автоклавного газобетона // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 1. С. 78–101.
22. Корниенко С. В., Ватин Н. И., Горшков А. С. Оценка теплозащиты эксплуатируемых жилых зданий из газобетонных блоков // Энергосбережение. 2016. № 6. С. 32–35.
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. Кривошеин А. Д. К вопросу о пректирвоании тепловой защиты светопрозрачных и несветопрозрачных конструкций. http://odf.ru/stat_end.php?id=579.
25. СП 230.1325800.2015 Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей.

Скачать статью в pdf-формате: Методы расчета и проектирования ограждающих конструкций зданий