Выбор оптимальных характеристик теплоизоляции светопрозрачных конструкций

Проектирование ограждающей оболочки зданий и сооружений должно осуществляться при выполнении следующих оптимизационных условий:

• обеспечение минимума теплопотерь при оптимальных затратах на теплоизоляию каждого из основных элементов оболочки;
• обеспечение минимума теплопотерь за счет оптимизации уровней теплоизоляции непосредственно элементов между собой;
• обеспечение минимума теплопотерь по требованиям теплового комфорта и гигиены.

В общем виде графики зависимости приведенных затрат “теплопотери — сопротивление теплопередаче — стоимость теплоизоляции” были получены и представлены в вышеупомянутой статье. Рассмотрим особенности получения оптимальных характеристик теплоизоляции для светопрозрачных конструкций, основываясь на указанных графиках и положениях разработанной методики.

Результаты разработок, освещенные в настоящей статье, положены в основу проекта государственных строительных норм по проектированию теплоизоляции зданий и сооружений

На рис. 1 представлена зависимость приведенных затрат, определяющих соотношение между стоимостью энергии при эксплуатации здания и начальной стоимостью создания ограждающей оболочки, от которой зависят значения сопротивления теплопередаче основных элементов ограждающей оболочки здания — стен (R0ст), окон (R0о) и покрытия (R0п). Зависимость получена при фиксированных из условий теплового комфорта и гигиены значений сопротивления теплопередаче покрытий и условий обеспечения значений удельных теплопотерь зданием не более 80-100 МДж/(м2 °С). При анализе представленной зависимости необходимо четко понимать, что данная зависимость является, по своей сути, экономической характеристикой здания. Стоимость энергии, величина затрат которой при эксплуатации здания напрямую зависит от теплотехнических показателей ограждающей оболочки (сопротивления теплопередаче основных элементов), рассчитывается в денежных единицах. В свою очередь, обеспечение более низких или высоких значений теплотехнических показателей ограждений зависит от начальных затрат, то есть тоже определяется денежными затратами. Поэтому в общем виде зависимость представляется как SE (R0ст, R0о ,R0п), где S — начальные затраты — стоимость теплоизоляции на момент монтажа ограждающей оболочки, а Е — эксплуатационные затраты на отопление здания.

• Share

• Share

Как видно из приведенного графика, существует четко очерченная зона оптимальных значений уровней сопротивления теплопередаче стеновых (непрозрачных) конструкций и оконных (светопрозрачных конструкций). Зависимость получена при существующей в Украине стоимости тепловой энергии для жилищно-коммунального сектора.
Рассмотрим, как влияет изменение стоимости тепловой энергии на оптимальные значения сопротивления теплопередаче. На рис. 2 показано сечение графика 1 по плоскости, приведенные затраты — стоимость (сопротивление теплопередаче) оконных конструкций.

• Share

• Share

На рис.3-4 представлены те же графики, но при изменении стоимости энергии до бездотационных величин (рис. 3) и до прогнозируемых значений стоимости единицы энергии (рис. 4).
Приведенные данные показывают, что с увеличением стоимости энергии оптимум значений сопротивления теплопередаче сдвигается в правую сторону по оси сопротивлений. При этом существующий нормативный уровень сопротивления теплопередаче оконных конструкций
0,5 м² °С/Вт (для окон из алюминиевых сплавов соответственно 0,45 м² °С/Вт) обусловлен только дотационным характером формирования стоимости тепловой энергии для объектов жилищно-коммунального сектора. При бездотационной стоимости тепловой энергии уровень оптимального сопротивления теплопередаче повышается до значений 0,52-0,55 м² °С/Вт. Также необходимо учитывать глобальные экономические и политические тенденции — рост стоимости энергии, глобальное снижение запаса энергресурсов, интеграцию Украины в европейское и мировое сообщество с неизменным выравниванием цен на энергоносители. Кроме того, при проектировании здания следует руководствоваться задаваемой долговечностью элементов ограждающей оболочки. Так светопрозрачные элементы должны иметь долговечность порядка 20 лет, следовательно, при определении оптимума физических показателей должны приниматься во внимание не сегодняшние деформированные цены на энергоносители, а перспективные оценки этих цен за весь период эксплуатации проектируемого объекта. Поэтому в основу выбора оптимального значения сопротивления теплопередаче оконных конструкций закладываются прогнозируемые цены на стоимость тепловой энергии, что дает нормативные значения на уровне 0,58-0,6 м² °С/Вт.

• Share

Влияние увеличения сопротивления теплопередаче основных элементов ограждающей оболочки на суммарные теплопотери здания приведены на рис.5. Как следует из этих данных, полученных для типового девятиэтажного жилого здания, эксплуатируемого в 1 температурной зоне Украины, эффект снижения удельных теплопотерь от увеличения сопротивления теплопередаче окон вдвое выше, чем эффект от повышения сопротивления теплопередаче стен и в 5 раз выше, чем при повышении сопротивления теплопередаче покрытия.
Таким образом, оптимальное по показателям “начальные затраты — эксплуатационные теплопотери” значение сопротивления теплопередаче оконных конструкций для проектируемых зданий и домов, подлежащих реконструкции и капитальным ремонтам, составляет 0,6 м² °С/Вт.
Рассмотрим вопросы влияния теплоизоляционных характеристик оконных конструкций на формирование теплового режима помещений и зависимость параметров теплового комфорта от сопротивления теплопередаче окон.
Под термином “тепловой комфорт” следует понимать такое состояние человека, когда он не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. В термодинамическом отношении человек является теплопроизводящей системой, которая всегда должна отдавать вырабатываемую энергию окружающей среде. При недостаточной теплоотдаче человек ощущает перегрев с дальнейшим повышением температуры сначала поверхности, а затем и глубинных тканей, при повышенной теплоотдаче — переохлаждение с соответствующим понижением температур.
Тепловой комфорт в помещении обеспечивается при выполнении уравнения теплового баланса:

Q – Gcg (tв – tн) – (tв – tн) F/R0пр = 0,            (1)

где Q — теплопритоки от системы отопления помещения, Дж, G — воздухообмен помещения, м³/ч, c — теплоемкость воздуха, Дж/(кгК), g — плотность воздуха, кг/м3, tв, tн — температура внутреннего и наружного воздуха, °С (К), F, R0пр — площадь и приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций помещения.
В уравнении теплового баланса (1) все характеристики зависят друг от друга. При снижении мощности системы теплоснабжения помещения, величины Q, или увеличении количества инфильтрирующегося или специально подаваемого в помещение наружного воздуха G снижается температура внутреннего воздуха tв. Температурный диапазон, при котором человек может нормально функционировать, очень узок, при выходе из этого диапазона центральная нервная система организма работает с перегрузками, что может привести к неработоспособному состоянию или отказу в виде болезней. Поэтому уровень теплового комфорта в помещениях определяет, в конечном итоге, здоровье нации в целом, что является уже задачей государственного уровня. Снижение величины G, как видно из уравнения (1), приводит к повышению tв. Однако и тут имеется противоречие: энергосбережение требует максимального снижения G, а требования гигиенистов - к увеличению G, поэтому оптимизация этой характеристики является совместной задачей специалистов по гигиене и теплозащите зданий.
Температура воздуха tв определяет условия (интенсивность) конвективной теплоотдачи от человека в окружающую среду. Лучистый теплообмен между человеком и окружающей средой определяется так называемой радиационной температурой помещения tR. В общем виде радиационная температура помещения представляется формулой

tR = S fi ti / S fi ,            (2)

где S — сумма, fi — коэффициент облученности с поверхности тела человека на i-ю поверхность помещения с температурой ti.
Для упрощения расчетов обычно принимают

tR = S Fi ti / S Fi ,             (3)

где S — сумма, Fi — площадь i-й поверхности ограждающих помещение конструкций.

Уравнение теплового баланса лучистого теплообмена между человеком, находящимся в помещении, и ограждающими конструкциями помещения имеет вид

Qл = S Fi fi ci bi (t – tR) ,            (4)

где S — сумма, ci — приведенный коэффициент излучения системы человек-поверхности ограждений, bi — температурный коэффициент, учитывающий нелинейность лучистого теплообмена.

• Share

На рис. 6 представлено влияние тепловых характеристик конструкций с минимальными характеристиками теплоизоляции на тепловые ощущения человека.
Тепловой комфорт обеспечивается при условии, что интенсивность теплоотдачи от человека к холодным поверхностям путем лучистого теплообмена составляет менее 70 Вт/м2. Как видно из приведенного графика, это условие выполняется при значениях сопротивления теплопередаче окон 0,58-0,6 м² °С/Вт. Следовательно, характеристики оптимального уровня теплоизоляции окон, полученные при анализе экономических факторов, совпадают со значениями сопротивления теплопередаче по условиям обеспечения теплового комфорта помещений жилых зданий.
Характеристика теплового режима помещений только значением tв является недостаточной. Тепловой режим характеризуется так называемой температурой помещения, tп, которая определяется величинами tв и tR по формуле

tR = 1.57 tп – 0,57 tв ,        (5)

Повышение величины tR обеспечивает нормальную комфортную температуру помещения при неизменной температуре воздуха tв и, соответственно, неизменном значении теплопоступлений Q. На рис.7 представлены данные, определяющие зависимость между температурой теплоносителя в системе отопления и температурой помещения при различных вариантах повышения теплозащитных показателей наружных ограждающих конструкций.

• Share

1 — утепление всех ограждающих конструкций, 2 — утепление стен,
3 — повышение теплоизоляции окон, 4 — закрытие балконов светопрозрачными конструкциями

Нормальный для человека температурный диапазон помещения, как это следует из рис. 7, может обеспечиваться и при существующих нагрузках и, соответственно, температурах теплоносителя в системах отопления жилых зданий. Однако для этого необходимо повышать уровень теплозащиты ограждающих конструкций. Причем тепловая эффективность повышения теплозащиты окон и глухих стен практически эквивалентна.
При этом для поддержания температуры помещения, обеспечивающей соответствие условиям комфортности в помещениях при температуре теплоносителя в стандартных приборах отопления на уровне 60-80°С, сопротивление теплопередаче окон должно быть на уровне 0,6 м² °С/Вт, сопротивление теплопередаче глухих участков стен и покрытий должно быть не менее 2,8-3,0 м² °С/Вт. При указанных характеристиках сопротивления теплопередаче выполняются и требования по допустимому температурному перепаду между температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции и температурой внутреннего воздуха, значения которого и определяют выполнения условий комфортности. Для жилых и общественных зданий требования по температурному перепаду приведены в табл. 1.

Табл. 1 Допустимый температурный перепад, Жtсг, в зависимости от вида ограждающей конструкции и назначения здания

В колонке “Наружные стены” требования указаны для приведенной характеристики температуры внутренней поверхности с учетом остекленности стены. Для глухих участков стен требования, приведенные в табл. 1, при вышеуказанных значениях сопротивления теплопередаче выполняются всегда. Ограничения по температурному перепаду необходимы для конструкций со светопрозрачными элементами. Современные здания проектируются с использованием значительных по площади светопрозрачных элементов. При формальном выполнении условий по сопротивлению теплопередаче для элементов ограждающих конструкций, наружные стены могут проектироваться со значительными коэффициентами остекленности, что приводит к проблемному, с точки зрения комфортности, температурному режиму на внутренней поверхности. На рис. 8 приведена зависимость температурного перепада стены от коэффициента остекления при нормативных значениях сопротивления теплопередаче непрозрачных и светопрозрачных участков стен для 1 температурной зоны Украины.

• Share

При коэффициентах остекления выше 0,75 температурный перепад превышает допустимую характеристику, что требует либо снижения коэффициента остекления, либо повышения термических характеристик заполнений световых проемов.
Результаты разработок, освещенные в настоящей статье, положены в основу проекта государственных строительных норм по проектированию теплоизоляции зданий и сооружений. В последующих наших публикациях будут рассмотрены конструктивные принципы обеспечения нормативных значений теплотехнических показателей оконных конструкций и другие положения указанного документа.