» » Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

19.04.2016

Современное здание представляет собой сложную теплоэнергетическую систему, включающую кроме ограждающих конструкций отопительные и вентиляционные установки, технологическое оборудование и т. д.
Система, состоящая из множества взаимодействующих и взаимосвязанных элементов, должна рассматриваться не просто как их сумма, а как соединение, имеющее новые качества, отсутствующие у каждого из элементов в отдельности. Инструментом оптимизации каждого элемента и всей системы в целом является математическая модель. В зарубежных строительных нормах (ФРГ, США, Дания, Англия и др.) рассматривается именно такой подход при решении задачи по оптимизации теплозащиты зданий, когда нормирование теплоизоляции оболочки здания ведется с учетом теплопотерь через все ее элементы. В качестве одной из главных задач при установлении уровня теплоизоляции нормы выделяют обеспечение такого эксплуатационного режима здания, при котором тепло, создаваемое внутренними источниками, не удаляется системами кондиционирования, а утилизируется для обогрева помещений. В процессе проектирования строятся графики с кривыми, характеризующими количество теряемого и потребляемого тепла, для различных вариантов объемно-планировочных и конструктивных решений. Точка пересечения этих кривых определяет условия оптимальности теплового режима, при котором обогрев здания в течение года должен на 85% покрываться за счет тепла, выделяемого внутренними источниками.
Оценка уровня теплоизоляции осуществляется по значению коэффициента теплопередачи по зданию в целом, который, например в нормах ФРГ, вычисляется по формуле
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Данная формула справедлива при 0,22 ≤ F/V ≤ 1,1. В этом диапазоне Кcp изменяется в пределах от 1,2 до 6 Вт/(м2*°С). Средневзвешенный коэффициент теплопередачи оболочки здания вычисляется по формуле
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

При расчете теплоизоляции должно быть соблюдено соотношение Кср ≤ Кср.max. Кроме этого, предусматривается также ограничение величин для отдельных ограждений конструкций. Для наружных стен, включая окна, в зависимости от конфигурации и размеров в плане принимаются Kimax = 1,2...1,5 Вт/(м2*К), а отдельно для окон Kimax = 3,1 Вт/(м2*К).
В отличие от ФРГ по нормам США средние коэффициенты теплопередачи не должны превышать 1 Вт/(м2*К) для стен и 0,24 Вт/ (м2*К) для покрытий при 20 тыс. отопительно суточных градусов в год.
Нормы строительного проектирования Австралии предусматривают оценку теплоизолирующих качеств ограждающих конструкций по экономической характеристике здания, в качестве которой принимается полная стоимость полезной площади. На базе математической модели анализируются различные варианты проектных решений наружных ограждений. В процессе оптимизации уровня теплозащиты определяется минимум приведенных затрат на ограждающие конструкции, на обеспечение требуемой степени комфортности внутренней среды для зданий без кондиционирования или с частичным кондиционированием и, наконец, на создание необходимой мощности установок кондиционирования воздуха. Расчетная схема математической модели позволяет проектировщикам, принимая верхние и нижние границы расчетных параметров, не только найти лучшее решение, но и изучить последствия отклонения рассматриваемых решений от лучшего.
Однако рассмотренные методы подхода к оценке теплоизолирующих качеств здания не в полной мере отвечают требованиям по определению оптимальной теплозащиты здания как сложной системы, так как не учитывают изменения теплового состояния помещения в течение года, что обеспечивает более высокую достоверность получаемых результатов.
Для решения этой задачи в ЦНИИПромзданий разработана экономико-математическая модель энергетического баланса промышленного здания, позволяющая находить оптимальное проектное решение ограждения (толщина слоя теплоизоляции глухой части конструкции, количество слоев остекления в окнах и фонарях, соотношение площади остекления и глухой части ограждения) при минимальных приведенных затратах. Расчетная схема модели дает возможность выявить удельные затраты энергии, обеспечивающие соблюдение нормативных требований к микроклимату помещения при эксплуатации, а также прогнозировать необходимый уровень сокращения расхода энергии.
При составлении энергетического баланса здания учитывается потребляемая им тепловая и электрическая энергия.
Тепловая часть энергетического баланса здания может быть представлена выражением
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Электрическая часть энергетического баланса вычисляется по формуле
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Потребность помещения в тепловой и электрической энергиях определяет суммарный расход первичного топлива на их выработку, что может быть описано схемой энергетического баланса
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Совершенствование проектных решений ограждающих конструкций может существенно уменьшить потребность в первичном топливе при эксплуатации здания. Следует отметить также, что в современной практике проектирования не учитывается взаимосвязь составляющих энергетического баланса. Однако теплотой, которая выделяется в помещение при технологическом процессе, могут быть в определенной мере компенсированы теплопотери через ограждающие конструкции, она может быть использована для нагрева приточного воздуха в вентиляционных системах и т. д.
Утилизация теплоты в системах приточно-вытяжной вентиляции позволяет на 30—50% снизить потребность в первичном топливе, но при этом возникают дополнительные единовременные затраты. Следовательно, оптимальный уровень теплозащиты здания должен устанавливаться на базе оптимизации его энергетического баланса.
В конечном итоге задача оптимизации энергетического баланса здания сводится к установлению минимума приведенных затрат на ограждающие конструкции:
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Единовременные затраты включают расходы на устройство глухих участков стен и покрытий, полов, окон, фонарей, санитарно-технических систем, а также систем утилизации и установок искусственного освещения.
Эксплуатационные затраты складываются из суммы годовых затрат на восстановление и ремонт глухой части стен и покрытий, пола, окон, фонарей, санитарно-технических систем, установок искусственного освещения, стоимости теряемой через ограждение теплоты, электрической энергии в системах искусственного освещения, утилизации теплоты и вентиляции.
Минимум энергетических затрат определяется из решения систем уравнений
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Решение этой системы уравнений на ЭВМ позволяет с наибольшей достоверностью установить оптимальные теплотехнические показатели ограждающих конструкций, а также оптимальное соотношение площадей остекления (окон и фонарей) и глухих частей ограждения, при которых обеспечивается минимум приведенных затрат.
На основе полученных оптимальных значений сопротивлений теплопередаче отдельных ограждающих конструкций определяются средние значения сопротивлений теплопередаче по зданию Rср0.
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Для одноэтажных многопролетных зданий с нормальным внутренним температурно-влажностным режимом эксплуатации, а также с режимом, характеризующимся значительными избыточными тепловыделениями, в покрытии которых предусматриваются зенитные или светоаэрационные фонари, значение Rcp0 вычисляют из выражения
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Для одноэтажных зданий с влажным внутренним режимом эксплуатации, а также для многоэтажных зданий с нормальным температурно-влажностным режимом среднее сопротивление теплопередаче находится по формуле
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Оптимальный уровень теплозащиты здания определен для 18 экономико-географических регионов России. Деление на регионы (табл. 9) выполнено с учетом однородности параметров внешней среды, цен на тепловую энергию и стоимости строительно-монтажных работ при обязательном сохранении территории региона в границах административного и экономического района.
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

Проведенные расчеты позволили уточнить оптимальные площади окон в одноэтажных производственных зданиях IV—V, а в многоэтажных — при II—III разрядах зрительных работ с различным внутренним температурно-влажностным режимам применительно к строительству во всех экономикогеографических регионах страны в зависимости от отношения площади здания к его объему (табл. 10).
Анализ данных свидетельствует о том, что оптимальное отношение площади окон к площади стен зависит не только от климатических условий региона строительства, но и от конструкции стены. Для зданий, строящихся в южных районах, оптимальная площадь окон в 1,5—2 раза меньше, чем в средней полосе и на севере. В многоэтажных зданиях из-за меньшей высоты и соотношения высоты к глубине помещения площадь окон примерно вдвое меньше, чем в одноэтажных. Оптимальная площадь световых проемов в покрытиях зданий для всех экономико-географических районов составляет 9%, что объясняется высокими капитальными затратами на устройство фонарей по сравнению с конструкцией покрытия.
Совершенствование теплотехнических норм проектирования зданий

При определении требуемых средних сопротивлений теплопередаче для здания в целом рассмотрены одноэтажные многопролетные здания без верхнего естественного освещения и с фонарями в покрытии, а также многоэтажные здания, эксплуатирующиеся в условиях нормального и влажного режимов, а также при избыточном тепловыделении. Эти величины зависят от отношения площади здания к его объему (табл. 11).
Нормирование теплоизолирующих качеств здания в целом по средним значениям сопротивления теплопередаче позволяет варьировать при проектировании не только конструктивные решения наружных ограждений, но и соотношение площадей оконных и фонарных проемов, обеспечивая при этом минимум приведенных затрат при эксплуатации. В отличие от зарубежных норм полученные средние сопротивления теплопередаче оболочки здания дифференцированы по экономико-географическим регионам страны.