OPTIMIZATION OF HEAT PROTECTION CHARACTERISTICS OF COUNTRY COTTAGE ENCLOSURES

Full Text

Постоянный рост тарифов на газ приводит к необходимости застройщиков загородных коттеджей использовать ограждающие конструкции с повышенными теплозащитными Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 40 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ характеристиками. При этом необходимо учитывать особенности теплового режима зданий с прерывистым отоплением. В связи с тем, что загородные коттеджи эксплуатируются чаще всего лишь в выходные дни и в период отпуска, возникает необходимость в использовании дежурного отопления в рабочие дни. На рис. 1 представлен характерный график изменения температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях загородного коттеджа. [7-9] результаты расчетов и экспериментальных исследований показали, что нагрев воздуха в помещении происходит значительно быстрее по сравнению с ограждающими конструкциями, обладающими значительной теплоемкостью. Последняя четвёртая стадия IV (τ3≤τ≤τ4) происходит после отключения отопительного котла. На ее продолжительность существенное влияние оказывает теплоаккумулирующая способность отапливаемых помещений и кратность воздухообмена [10]. При реализации прерывистого отопления загородных коттеджей целесообразно использовать автоматизированную систему «Умный дом». Натоп помещений можно осуществить при её применении дистанционно, подав сигнал на исполнительный орган отопительного котла перед приездом в коттедж. Как показали результаты исследований, представленные в работах [1, 2], сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций существенно влияет на энергозатраты при натопе помещений загородного коттеджа и время их нагрева. Для нахождения оптимальных значений сопротивления теплопередаче однослойных наружных стен исследуем зависимость удельных энергозатрат при эксплуатации загородного коттеджа на экстремум. Суммарные удельные энергозатраты за недельный период эксплуатации здания определяются по формуле QΣ = QI + QII + QIII, кДж/м2, (1) где QI, QII, QIII - удельные энергозатраты при работе дежурного отопления, при натопе помещения коттеджа и при расчетном режиме эксплуатации соответственно. Удельные энергозатраты на стационарных режимах работы определяются по формуле (2) (3) где tв1, tв2 - температура внутреннего воздуха при дежурном и расчётном режимах отопления, °C; R0 пр - приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены, (м2 · °C)/Вт; τI, τIII - продолжительность первого и третьего периодов эксплуатации здания, сут. Удельные энергозатраты при натопе помещении определяются, согласно [2], по формуле QII = c · ρ · δ · Δτc, Дж/м2, (4) где c - удельная теплоемкость материала наружной стены, Дж/(м·°C); ρ - плотность мате- Рис. 1. График изменения температуры внутреннего воздуха в помещениях загородного коттеджа Из рис. 1 видно, что недельный цикл эксплуатации загородного коттеджа включает четыре стадии. Первая стадия I (0≤τ≤τ1) характеризует период эксплуатации здания при использовании дежурного отопления. Вторая стадия II (τ1≤τ≤ τ2) - период натопа помещений. В результате её реализации происходит прогрев воздуха в отапливаемых помещениях, а также всех наружных и внутренних ограждающих конструкций. Как показали результаты исследований, представленные в работах [1-5], на натоп помещений расходуется значительная тепловая энергия. Для снижения энергозатрат рекомендуется в работах [2, 5] использовать в однослойных конструкциях малотеплоемкие материалы, а в многослойных - внутреннее утепление с применением высокоэффективных полимерных материалов, обладающих низкой паропроницаемостью. Третья стадия III (τ2≤τ≤τ3) осуществляется при наличии людей в коттедже. Согласно современным нормативным требованиям по теплозащите, изложенным в СП 50.13330 «Тепловая защита зданий», в зданиях с периодическим пребыванием людей должны обязательно выполняться лишь санитарно-гигиенические условия, заключающиеся в обеспечении первого и второго условия комфортности. Согласно [6] первое условие комфортности обеспечивает человеку благоприятный тепловой режим в помещении в целом, второе условие - в непосредственной близости от ограждающих конструкций. Представленные в работах Ю. С. Вытчиков, М. Е. Сапарёв, В. А. Голиков, Е. Г. Сафронов 41 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 риала стены, кг/м3; δ - толщина наружной стены, м; Δτc - изменение температуры наружной стены в процессе натопа, °C. (5) где - сопротивление теплопередаче глади наружной стены, (м2·°C)/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности; αв, αн - значение коэффициента теплоотдачи со стороны внутреннего и наружного воздуха соответственно, Вт/(м2 · °C). Толщина наружной стены связана с её сопротивлением теплопередаче соотношением (6) Подставим формулы (5) и (6) в (4). Тогда получим (7) Уравнение (1) после подстановки в него формул (2), (3) и (7) примет вид (8) Исследуем зависимость для определения QΣ на экстремум. Для этого получим выражение первой производной и приравняем его к нулю. Тогда получим выражение для определения R0 усл, (м2 · °C)/Вт, вида (9) Анализ полученного решения для определения сопротивления теплопередаче наружной стены, соответствующего минимуму удельных энергозатрат, позволил установить, что основное влияние на его значение оказывает наличие теплофизических характеристик используемого материала сρλ. Проанализируем зависимость (4) для кладки, выполненной из различных материалов. В качестве района строительства примем Самарскую область. При выполнении расчета использовались следующие исходные данные: 1. Температура внутреннего воздуха в коттедже при дежурном отоплении tв1 = 12 °C, при расчетном режиме tв2 = 22 °C. 2. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период tн = tоп = -4,7 °C. 3. Продолжительность работы дежурного отопления τI = 3 сут, на расчетном режиме τIII = 2 сут. Расчёт был произведен для наружных стен, выполненных в виде кладок из газобетонных блоков на латексном клею, из пустотелых керамзитобетонных блоков, а также из силикатного и керамического кирпича на цементно-песчаном растворе. Теплофизические характеристики приведенных выше кладок были взяты из СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий» Российского общества инженеров строительства. Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 42 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Результаты расчета представлены в табл. 1. Нумерация вариантов исполнения наружных стен была выбрана с учетом значения комплекса теплофизических величин сρλ, существенно влияющего на энергозатраты при эксплуатации загородного коттеджа. Нормативное значение сопротивления теплопередаче наружной стены для жилых зданий, строящихся в Самарской области, составляет R0 норм = 1,49 (м2·°C)/Вт. Следовательно, значения сопротивления теплопередаче наружных стен, выполненных в виде вкладок из глиняного и силикатного кирпича, соответствующие минимуму энергозатрат, оказались ниже нормативного значения. На рис. 2 представлена зависимость максимально допустимых значений сопротивления теплопередаче от комплекса сρλ для всех вариантов исполнения наружных стен. Используя график, представленный на рис. 2, можно по величине сопротивления теплопередаче глади наружной стены определить необходимую величину комплекса сρλ для кладки, а далее по справочным данным подобрать сам материал. В табл. 2 и на рис. 3 представлены результаты расчета удельных энергозатрат при изменении сопротивления теплопередаче наружной стены в диапазоне от 1,0 до 6,0 (м2 · °C)/Вт для кладки из газобетонных блоков на латексном клею с плотностью, равной 600 кг/м3. Рис. 3. Зависимость удельных энергозатрат от сопротивления теплопередаче наружной стены Рис. 2. Зависимость R0 усл от комплекса сρλ Ю. С. Вытчиков, М. Е. Сапарёв, В. А. Голиков, Е. Г. Сафронов 43 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 Таблица 1 Результаты расчета сопротивления теплопередаче наружных стен с минимальными энергозатратами при эксплуатации загородных коттеджей № варианта Состав наружной стены Теплофизические характеристики стеновых материалов Комплекс cρλ, Дж2/(с·м4·°С2) Максимально допустимое значение сопротивления теплопередаче R0 усл, (м2·°C)/Вт Удельная теплоемкость c, Дж/(кг·°С) Плотность ρ , кг/м3 Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·°С) 1 Кладка из газобетонных блоков на латексном клею 840 300 0,12 30240 7,76 2 Кладка из газобетонных блоков на латексном клею 840 400 0,13 43680 6,46 3 Кладка из газобетонных блоков на латексном клею 840 600 0,17 85680 4,64 4 Кладка из газобетонных блоков на латексном клею 840 800 0,25 126000 3,84 5 Кладка из керамзитобетонных блоков с трехрядными несквозными блоками на цементно-песчаном растворе 840 880 0,29 214368 2,97 6 Кладка из керамзитобетонных блоков с трехрядными несквозными блоками на цементно-песчаном растворе 840 1060 0,36 320544 2,43 7 Кладка из керамзитобетонных блоков с трехрядными несквозными блоками на цементно-песчаном растворе 840 1270 0,42 448056 2,07 8 Кладка из глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе 880 1800 0,7 1108800 1,34 9 Кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе 880 1800 0,76 1203840 1,29 Таблица 2 Результаты расчета удельных энергозатрат при недельной эксплуатации загородного коттеджа Сопротивление теплопередаче R0 усл, (м2·°C)/Вт Энергозатраты, кДж/м2 при дежурном отоплении QI при натопе помещений QII на расчетном режиме QIII суммарные энергозатраты QΣ 1,0 4328,6 4631,8 334,8 9295,2 2,0 2164,3 2306,9 760,9 5232,1 3,0 1442,9 1543,9 1188,1 4174,9 4,0 1082,2 1158,0 1616,4 3856,8 4,64 932,9 998,2 1896,0 3821,1 5,0 865,7 926,4 2044,6 3836,7 6,0 721,4 772,0 2472,5 3965,9 Выводы. 1. Разработана инженерная методика определения максимально допустимого значения сопротивления теплопередаче однослойных ограждающих конструкций, обеспечивающего минимальные энергозатраты при прерывистом отоплении загородных коттеджей. 2. Представлены результаты расчета максимально допустимых значений сопротивления теплопередаче для наружных стен, выполненных из различных стеновых материалов, а также удельных энергозатрат в широком диапазоне теплозащитных характеристик. Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 44 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ 3. Полученная аналитическая зависимость позволяет проектировщику загородного коттеджа рационально выбрать стеновой материал, обеспечивающий минимум энергозатрат при эксплуатации здания.

About the authors

Yuri S. VYTCHIKOV

Samara State Technical University

Mikhail E. SAPAREV

Samara State Technical University

Vladislav A. GOLIKOV

Samara State Technical University

Evgeniy G. SAFRONOV

Samara State Technical University

References

Supplementary files