Kонструктивные решения энергосберегающих зданий
Б. Н. Волынский, главный конструктор, ГПИ «Мосгражданпроект»
Энергосбережение при проектировании и эксплуатации жилых зданий становится одной из важных приоритетных задач. При этом обязательным условием является обеспечение повышенных санитарно-гигиенических и комфортных условий, диктуемых требованиями СНиП II-3-79* и ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
Задачи экономии энергии определили переход к проектированию и строительству зданий с повышенным уровнем теплозащиты, где значительная роль отводится увеличению сопротивления теплопередаче наружных стен зданий.
Министерством строительства Московской области этой теме уделяется особое внимание. В последние годы по заданию Минмособлстроя был проведен комплекс исследований, направленных на определение путей рациональных конструкций наружных стен жилых многоэтажных зданий. В рамках этих работ был выполнен анализ проектных решений, проведены научно-экспериментальные теплофизические и прочностные испытания стеновых ограждающих конструкций. К работе были привлечены ведущие институты страны — НИИ Строительной физики, РААСН и НИИЖБ Госстроя РФ.
Важнейшим этапом на этом пути явилась разработка ТСН Московской области «Нормы теплотехнического проектирования гражданских зданий с учетом энергосбережения». В разработке этих норм приняли участие НИИ Строительной физики, «Мосгражданпроект», АО КПД, «Сантехпроект».
ТСН содержат требования по теплозащите проектируемых зданий по величине требуемого удельного энергопотребления. Нормы предназначены для обеспечения основного требования — эффективного использования энергии при проектировании зданий путем выявления суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных, строительных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. При этом здание и системы его обеспечения рассматриваются как единое целое. Выбор окончательного проектного решения выполняется на основе сравнения вариантов по наименьшему значению расчетного удельного расхода тепловой энергии системой теплоснабжения на отопление здания в сопоставлении с требуемой величиной удельного расхода энергии, устанавливаемой ТСН.
Такой подход в нормировании теплозащиты позволяет оценивать эффективность использования энергии путем установления суммарного эффекта энергосбережения в результате варьирования проектных решений и степени автоматизации процесса подачи топлива на нужды отопления. Это является существенным шагом вперед в теплотехническом проектировании зданий.
ТСН содержат требования к энергетическому паспорту здания, в котором отражаются все теплотехнические и энергетические характеристики, устанавливаемые в процессе проектирования. Энергетический паспорт — важнейший документ, который содержит необходимый и достаточный объем показателей, который позволяет проверить соответствие проектных показателей проектируемого здания нормативным требованиям. В ТСН приведен алгоритм расчета параметров энергетического паспорта при их расчете вручную. Операция по расчету параметров ЭП с применением ЭВМ производится с помощью программы Эп-pass, значительно упрощающей и сокращающей процесс расчета параметров паспорта.
Требования по повышению эффективности энергосбережения вплотную связаны с рациональными конструктивными решениями, приемлемыми при проектировании зданий различных строительных систем.
Одним из массовых видов строительства являются крупнопанельные здания. Мощная база строительной индустрии, высокие темпы строительства таких зданий при далеко не удовлетворенном спросе на жилье сделало необходимым найти такое конструктивное решение наружных стен крупнопанельных зданий, которое бы удовлетворяло требования 2-го этапа СНиП П-3, не требовало бы значительной реконструкции или замены стальных форм и оснастки для их изготовления.
Таким решением оказались трехслойные железобетонные панели с эффективным утеплителем взамен ранее применяющихся керамзитобетонных панелей. В качестве связей между наружным и внутренним слоями трехслойных панелей применены железобетонные шпонки. Эти связи — шпонки — имеют малые размеры поперечного сечения, армируются стержнями диаметром 4-5 мм из стали класса В-1 или Вр1 и располагаются прерывисто, равномерно распределяясь по всей площади панели. Изготовленные из тяжелого бетона, панели имеют качественную фактуру и могут изготавливаться фасадной поверхностью как вниз, так и вверх. Фасадные поверхности могут иметь полную заводскую готовность или окрашиваются в процессе строительства.
Панели разработаны «Мосгражданпроектом» совместно с АО КПД. В настоящее время ведется строительство зданий с такими панелями Подольским, Щелковским, Тучковским, Электростальским и Орехово-Зуевским ДСК, завершена разработка рабочих чертежей для Коломенского ДСК.
Весьма важным направлением в области строительства является поиск таких решений, которые позволили бы, используя преимущества индустриального домостроения, вместе с тем проектировать и строить многоэтажные здания с различными планировочными и фасадными архитектурными решениями.
В Академии архитектуры были разработаны принципиальные решения ширококорпусных жилых зданий, конструктивную основу которых составила система внутренних продольных и поперечных железобетонных стен, объединенных в единую пространственную схему дисками перекрытий. Наружные стены здания имеют поэтажную разрезку, опираясь на плиты перекрытий. Конструкция стен — трехслойная, кирпичная, с эффективным утеплителем; наружный и внутренние слои стены — кирпичные, толщиной 250 и 120 мм. Связь между слоями из нержавеющей стали. Таким образом, многоэтажный дом, возводимый из крупнопанельных конструкций имеет облик кирпичного здания. Архитектурные качества здания удовлетворяют современным требованиям архитектуры, а эта работа удостоена премии Совета министров РФ.
По этому принципу «Мосгражданпроектом» разработан проект 9-этажного жилого дома в г. Раменское, сборные железобетонные изделия для которого изготавливаются на Воскресенском ДСК. Следует отметить, что имеется реальная возможность упростить конструкцию наружных стен, применяя стеновые блоки из таких материалов, как полистиролбетон, газобетон и т. п., с их облицовкой кирпичом. В настоящее время по проекту «Мосгражданпроекта» совместно с АО ОКПД ведется строительство зданий такого типа в г. Щелково.
Следует особо отметить, что строительство кирпичных многоэтажных зданий с несущими стенами, отвечающих требованиям энергосбережения, не имеет сколько-нибудь отчетливой перспективы. Сложность и материалоемкость такого решения очевидны. Альтернативой кирпичных зданий может считаться каркасная система со стенами поэтажной разрезки комплексной (полистиролбетонные или газобетонные блоки с облицовкой кирпичом) конструкции. В качестве несущей системы используется безригельный каркас с натяжением арматуры, располагаемой в створе колонн. Перекрытие из пустотных плит высотой 220 мм. Колонны сечением 300х300 или 400х400 мм. Каркас работает по рамно-связевой системе, воспринимая рамами вертикальную нагрузку, а нагрузки, вызывающие горизонтальные перемещения здания, — диафрагмами жесткости.
Монтаж каркаса, оборудование для его монтажа, анкерные и натяжные устройства обеспечиваются НИИЖБом. Такое решение по предварительным подсчетам обеспечивает сокращение стоимости строительства на 20-25 %.
В заключение необходимо остановиться на безусловной необходимости сертификации проектной продукции. Только этот путь обеспечит надежность соответствия принимаемых проектных решений действующим нормам и правилам. Это тем более важно, что до сегодняшнего дня нет единообразных (типовых) решений по такому важному разделу, как проектирование «теплых» стен, соответствующих требованиям 2 этапа по энергосбережению.
Существуют технические решения, разработанные Минстроем (теперь Госстроем) России. Однако, эти решения носят рекомендательный характер, они не выполнены на стадии рабочих чертежей, допускают различные конструктивные решения и не позволяют унифицировать способы возведения «теплых» стен с применением имеющихся в регионе материалов.
Следует отказаться от практики получения дополнительных согласований при проектировании, так как это не гарантирует надежность и рациональность принимаемых в проектах решений. Однако не все заказчики относятся к вопросам сертификации проектной продукции одинаково ответственно. Например, сертифицированы проекты зданий и изделий Щелковского, Подольского и Тучковского ДСК, но не представлена для сертификации документация Воскресенского ДСК.
Сертификация проектной продукции должна быть признана обязательным условием при утверждении проектов.
Важно отметить, что проектирование зданий, отвечающих требованиям энергосбережения, вовсе не означает автоматического их удорожания. Реализация рациональных конструктивных решений обеспечит не только энергоэффективность зданий, но и позволит проектировать здания, отвечающие современным архитектурным требованиям, без существенного увеличения материальных затрат.
Источник
Энергоэффективность наружных конструкций зданий
В. К. Савин, доктор техн. наук, профессор, член-корр. РААСН, член Строительного отделения Восточно-европейского союза экспертов (OSV)
Цель развития строительной отрасли заключается в выработке правильной и эффективной социально-экономической политики на основе научно-технического прогресса и энергоэкономического анализа, который предполагает оценку всех факторов, влияющих на экономию тепла и энергии. Это возможно осуществить, если будет обеспечена государственная политика, направленная на ресурсосбережение при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.
Правильная социально-экономическая политика в области строительства должна учитывать интересы всего народа, интересы предприятий и отдельно взятого работника.
Энергоэффективность ограждающих конструкций зданий означает минимальное потребление энергии из недр земли при максимальной производительности труда в строительстве и обеспечении комфортных условий в помещениях зданий. Строительная отрасль является главным потребителем тепла и энергии. Ежегодно она расходует около 60% всего добываемого топлива, идущего на внутренний рынок.
В настоящее время в строительстве постепенно формируются предпосылки широкомасштабного кризиса. Главными причинами непродуктивной экономики строительства является повышение технологических (энергетических) издержек производства из-за резкого увеличения энергоемкости (материалоемкости) строительства и сокращения срока службы зданий. При этом надо учитывать, что строительная отрасль относится к жизненно важному сектору экономики, даже если она и убыточна.
Проведем энергоэкономический анализ основных факторов, влияющих на энергосбережение оболочки здания.
— Фактор первый. Одним из важных факторов энергосбережения является правильный выбор объемно-планировочных решений. По этому поводу имеется множество статей и монографий, в которых проводится подробный анализ влияния объемно-планировочных решений на потери тепла через оболочку здания. Однако во всех городах строятся дома-башни, хотя совершенно очевидно, что с точки зрения экономии энергии и ресурсов их следует отнести к энергодеффективным зданиям. Если, например, 3 дома-башни соединить вместе, то теплопотери через стены среднего здания будут в 2 раза ниже. Ко второй грубой ошибке проектирования при разработке объемно-планировочных решений следует отнести строительство домов – нагревательных приборов. Развитая наружная поверхность нагревательного прибора, например чугунного радиатора, выполняется с целью максимальной отдачи тепла во внутрь помещения. Проектируемые дома – нагревательные приборы с лоджиями, балконами, эркерами, различными выступами и т. п. элементами также, как и нагревательный прибор, способствуют максимальной отдаче энергии, отапливая улицу. Особенно этот фактор проявляется в климатических условиях России, где наблюдается сочетание низких температур с большими значениями скорости ветра. На отопление таких зданий расходуется в несколько раз больше тепла. Если мы действительно хотим экономить, то решение первых двух проблем лежит на поверхности – значительно сократить или прекратить строительство домов-башен и домов – нагревательных приборов.
— Фактор второй касается срока службы здания. Чтобы экономить энергию и одновременно увеличить производительность труда в строительстве, нужно строить здания длительного пользования. Начиная с 60-х годов наша страна перешла на индустриальное массовое строительство панельных зданий с коротким сроком службы (не более 30–70 лет эксплуатации). Например, в Москве ежегодно возводится 70–80% панельных зданий от общего объема строительства 3 млн м 2 . Если посмотреть вокруг, то увидим, что в Европе в одном доме, построенном в средние века, прожили десятки поколений. У нас же человек, родившийся в панельном доме, на старости лет должен покупать новую квартиру или становиться бомжом. Через 20–30 лет многие наши города, в том числе и Москва, будут превращаться в «мертвые города».
Еще в 2000 году мэр Москвы Ю. М. Лужков поднял проблему сноса старых зданий. Он сказал, что «если принять средний срок службы, равным 50 годам, то для компенсации сноса в год требуется еще около 3,8 млн м 2 . Итого 7,8 млн м 2 . Сегодня проблема не проявляется так радикально, но, если не принять срочных мер, она будет нарастать…». Решение проблемы – надо строить дома и сооружения с длительным сроком службы.
— Фактор третий – самый сложный и дискуссионный. Он связан, с одной строны, с расходом энергии, идущей на строительство оболочки здания, а с другой стороны, с потерями тепла при ее эксплуатации.
Парадокс этой взаимосвязи заключается в том, что с увеличением уровня теплозащиты ограждения уменьшается расход энергии. В то же время увеличивается энергоемкость конструкции, т. е. увеличивается расход энергии на его создание и монтаж. Госстроем России проводится политика одновременно по двум направлениям: по «снижению материало- и энергоемкости зданий и сооружений и, как результат, снижению использования невозобновляемых природных ресурсов», а также поэтапному из года в год повышению уровня теплозащиты зданий.
И первое, и второе направления эксплуатируют частные, локальные эффекты экономии энергии, которые на самом деле взаимно исключают друг друга. Так, снижая энергоемкость зданий, мы увеличиваем расходы на их отопление, а снижая эти расходы, мы повышаем энергоемкость зданий.
В связи с этим необходим простой и надежный метод расчета энергоэффективности оболочки здания, который из множества переменных величин, связанных с энергоемкостью всего здания и его теплопотерями, позволил бы выделить наиболее значимые параметры, затем исследовать связи между ними, и в количественной форме, используя простой математический аппарат, получить оптимальное решение задачи.
Такой метод расчета был проанализирован в одной из работ, основанной на генеральной идее Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика»: «…снижение энергоемкости отраслей экономики» и перевод экономики страны на энергосберегающий путь развития для «…обеспечения разумных энергетических потребностей населения в различных видах энергоресурсов».
Он заключается в том, что поэлементно наружные ограждающие конструкции (стены, окна, покрытия и полы) рассчитываются по затратам тепла на отопление и затратам энергии на их изготовление, транспорт и монтаж с учетом срока службы каждого элемента и здания в целом, климатического района строительства при обеспечении в помещениях комфортных условий согласно строительным нормам.
Схема расхода невозобновляемых источников энергии на отопление здания и на создание наружных ограждающих конструкций
Зависимость k ^ сум от R ^ пр 0 при различных значения критерия Sa
На рис. 1 показана схема расхода невозобновляемых источников энергии, извлекаемых из недр земли, на отопление здания qэобщ и на создание наружных ограждающих конструкций q к общ. Общее количество энергии q к общ равно сумме q э общ и q к общ.
Таким образом, суммарные удельные энергетические затраты любого элемента оболочки здания (стены, окна, покрытия, пола) qсум равны сумме теплопотерь на отопление qэ и его создание qк.
Решение задачи заключается в определении минимальных удельных энергетических затрат q min сум с помощью применения теории размерностей, теории подобия и теории теплообмена.
Минимальное значение приведенного сопротивления теплопередаче R min 0, при котором будут минимальные удельные энергетические затраты q min сум, можно определить по формуле:
R min 0 = 1/Sa 1/2 , м 2 •°C/Вт. ( 1 )
Безразмерный критерий Sa имеет глубокий теплофизический и экономический смысл. Он показывает, насколько теплопотери 1 м 2 ограждающей конструкции, сопротивление теплопередаче которой R * 0, больше или меньше тепловой энергии, затраченной на ее создание и монтаж за срок службы ограждения.
где Sa – безразмерный критерий, в котором: Q * k – энергоемкость, Вт•ч 1 м 2 элемента наружного ограждения, сопротивление теплопередаче которого R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт; D – градусо-сутки отопительного периода, °C•сут.; Z ^ = Z/Zот.пер.– безразмерная величина, численно равная сроку службы ограждения.
Из формулы (1) видно, что для любого климатического района строительства различные конструкции стен, окон, полов и покрытий имеют свои оптимальные значения R min 0 , а не постоянную величину. Поэтому нормировать, например, для Москвы R тр 0 = 3,2 м 2 •°C/Вт и более для всех конструкций стен нельзя, потому что в зависимости от энергоемкости конструкции и ее долговечности R min 0 может быть больше или меньше R тр 0. Отклонение величин R min 0 в ту или другую стороны ведет к перерасходу энергии, забираемой из недр земли.
| Таблица 1 Минимальный уровень теплозащиты элемента здания в зависимости от энергоемкости и его срока службы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В табл. 1 для Москвы и Московской обл. (D = 5 000 °C•сут.) приведены значения R min 0 элемента ограждающей конструкции в зависимости от энергоемкости Q * k и его срока службы Z ^ .
| Таблица 2 Минимальный уровень теплозащиты элемента здания в зависимости от энергоемкости и продолжительности отопительного периода | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В табл. 2 при Z ^ = 25 лет даны значения R min 0 для различных климатических районов строительства.
Энергоемкость Q * k элемента наружного ограждения (количество энергии, вложенное в создание 1 м 2 элемента ограждения, сопротивление теплопередаче которого составляет R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт) можно определить двумя способами:
— представить в виде энергетических затрат как сумму затрат ТЭР на добычу, переработку и доставку сырья, изготовление элемента ограждения, транспортные расходы и на его монтаж;
— оценить приближенно через отношение стоимости 1 м 2 элемента конструкции, сопротивление теплопередаче которого составляет 1 м 2 •°C/Вт к стоимости тепловой энергии, выраженной в Вт•ч/м 2 .
Задача проектировщика заключается в разработке конструкции стены, окна, пола и покрытия с наименьшим значением суммарного коэффициента теплопередачи kсум:
где k ^ сум = kсум /k * э – безразмерная величина суммарного коэффициента теплопередачи и энергоемкости 1 м 2 элемента наружного ограждения при разности температур 1°C, представляющего отношение суммарного коэффициента теплопередачи kсум, Вт/(м 2 •°C) к коэффициенту теплопередачи k * э = 1 Вт/(м 2 •°C);
R ^ пр 0 = R пр 0 /R * 0 – безразмерная величина приведенного сопротивления теплопередаче, представляющая отношение приведенного сопротивления R пр 0 к сопротивлению теплопередаче R * 0, величина которого равна R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт.
Для получения минимального значения kсум необходимо выбрать вариант ограждающей конструкции с наибольшим значением R ^ пр 0 и наименьшим критерием Sа (рис. 2). Увеличение уровня теплозащиты R пр 0 непрозрачных элементов оболочки здания достигается путем увеличения толщины элемента или уменьшения коэффициента теплопроводности его материала. Например, при одинаковой толщине стен высокий уровень теплозащиты можно получить, применив теплоизоляционные материалы вместо конструкций из кирпича или дерева. Однако в этом случае срок службы стены резко сократится, и нам придется ее демонтировать и вновь строить, затратив при этом почти в 2 раза больше энергии. Этот парадокс в нашем методе расчета решается с помощью критерия Sа, который связывает уровень теплозащиты, срок службы конструкции и энергию, затраченную на ее создание.
Определив kсум с наименьшими значениями для каждого элемента оболочки здания, находим минимальное значение общего коэффициента теплопередачи и энергоемкости k min общ, который равен сумме произведений kсум каждого элемента на площадь этого элемента, деленной на общую площадь наружной поверхности оболочки здания.
Если мы и дальше будем эксплуатировать частный эффект экономии тепла путем недостаточно обоснованного увеличения уровня теплозащиты, то получим еще больший спад ввода жилых домов на 1 000 жителей, несмотря на увеличение из года в год производства строительных материалов и энергии на их изготовление.
Покажем как можно применять на практике метод энергоэкономического анализа на примере расчета двух вариантов стен.
Вариант первый.
Однослойная кирпичная стена, коэффициент теплопроводности которой равен l = 0,6 Вт/(м•°C). Для создания 1 м 2 стены в Москве (D = 5 000 °C•сут.), сопротивление теплопередаче которой равно R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт, требуется 200 шт. кирпича. Стоимость 1 кирпича 3–4 руб. (принимаем цену за 1 шт. – 3 руб. 50 коп.), или 700 руб. за 200 шт.
Стоимость кладки 0,5 м 3 с учетом стоимости раствора и работы примем также 700 руб. Итого: затраты на создание 1 м 2 кирпичной кладки с уровнем теплозащиты R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт составляют C* = 1 400 руб./м 2 .
Тариф на тепловую энергию, отпускаемую потребителям Москвы с мая 2002 года (Постановление правительства Москвы от 20 февраля 2002 года № 07), cт = 238 руб./Гкал = 0,21 руб./кВт•ч.
В соответствии с этим определяем энергоемкость 1 м 2 стены, сопротивление теплопередаче которой равно R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт.
Q * k = 6,67•106 Вт•ч/м 2 .
Критерий Sa, вычисленный по формуле (2): Sa = 1,1,
где Z ^ = 50 – срок службы кирпичной стены без капитального и текущего ремонта.
Минимальное (оптимальное) значения сопротивления теплопередаче, вычисленное по формуле (1), составляет
R min 0 = 0,95 м 2 •°C/Вт.
Обращаясь к графику (рис. 2) или к формуле (3), видим, что в интервалах изменения Sa = 1–1,1 (R ^ пр 0 = 0,95–1) значение k ^ сум минимально и равно k ^ сум = 2 или kсум = 2 Вт/(м 2 •°C).
Вариант второй.
Двухслойная стена, состоящая из кирпичной кладки в один кирпич (Rk = 0,25/0,6 = 0,42 Вт/(м 2 •°C)) и наружной теплоизоляции, коэффициент теплопроводности которой равен l = 0,05 Вт/(м•°C).
Сопротивление теплопередаче стены с толщиной теплоизоляции d * = 0,021 м составляет R * 0 = 1 м 2 •°C/Вт.
Стоимость 1 м 3 утеплителя равна 800 руб., стоимость 1 м 2 утеплителя толщиной d * = 0,021 м составляет 16,8 руб. Затраты (с учетом крепления утеплителя к стене) принимаем 100 руб. Общие затраты кирпичной кладки (1 400/2 = 700 руб., см. первый вариант) с устройством теплоизоляционного слоя составляет C * = 700 + 100 = 800 руб./м 2 .
Энергоемкость 1 м 2 двухслойной стены, сопротивление теплопередаче которой равно R * 0 = 1 Вт/(м 2 •°C):
Q * k = 3,81•106 Вт•ч/м 2 .
Критерий Sa равен 0,57.
Минимальное (оптимальное) значение сопротивления теплопередаче будет R min 0 = 1,32 м 2 •°C/Вт, что соответствует теплоизоляции слоя d = 37 мм.
Для первого варианта стены суммарный коэффициент теплопередачи и энергоемкости равен k 1 сум = 2 Вт/(м 2 •°C), а для второго – k ^ 2 сум = 1,5 или kсум = 1,5 Вт/(м 2 •°C).
Годовая экономия тепла при двухслойном варианте стены составляет
D q = 0,024•D• D kсум = 60 кВт•ч/м 2 ,
где D kсум = k 1 сум — k 2 сум = 2 — 1,5 = 0,5 Вт•ч/м 2 .
Источник