Email this article Features of calculation of heat consumption for heating energy-efficient buildings
- Authors: Vytchikov Y.S.1,2, Vytchikov А.Y.1,2, Saparev M.E.1,2, Chulkov A.A.1,2
-
Affiliations:
- Samara State Technical University
- Academy of Architecture and Civil Engineering
- Issue: Vol 11, No 4 (2021)
- Pages: 66-71
- Section: HEAT SUPPLY, VENTILATION, AIR CONDITIONING, GAS SUPPLY AND LIGHTING
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/99667
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2021.04.8
- ID: 99667
Cite item
Full Text
Abstract
In connection with the implementation of the energy saving program in construction, the regulatory requirements for thermal protection of enclosing structures have significantly increased, which has led to the construction of energy efficient buildings with low energy consumption. The article presents the results of the heat engineering calculation of an 8-storey residential building under construction in the city of Samara. The outer walls of the first two floors are insulated with a facade system, the upper floors are made in the form of well masonry, as a heater for which thermal insulation is designed in the form of a cassette of three sheets of foam foam, mounted on a wooden frame. An assessment of the energy efficiency of the above-mentioned building was made and an analysis was made of the influence of the reduced resistance to heat transfer of the outer wall on the value of the specific heat consumption for heating the building, as well as increased heat loss in window slopes on the energy consumption in a residential building.
Full Text
При проектировании систем отопления теплопотери ограждающими конструкциями, как правило, оцениваются по величине сопротивления теплопередаче глади стены. При этом не учитываются дополнительные теплопотери на оконных откосах, наружных углах здания, а также в местах расположения теплопроводных включений.
При проведении теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций указанные выше теплопотери необходимо учитывать путем введения коэффициента теплотехнической однородности r, значение которого находится в интервале 0,75 ≤ r ≤ 1.
Для определения величины r можно использовать рекомендации, приведенные в СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций. РОИС». Данные по коэффициенту теплотехнической однородности, приведенные в указанном стандарте, логично использовать лишь при предварительном расчете ограждающих конструкций. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», коэффициент теплотехнической однородности следует определять по температурным полям, полученным экспериментальным или расчетным путем. Вопросам совершенствования методики теплотехнического расчета энергоэффективных зданий посвящены работы [1–3]. Расчет температурных полей рекомендуется выполнять с помощью специализированной программы THERM 7.6, базирующейся на использовании метода конечных элементов.
Оценка влияния теплофизических характеристик строительных ограждающих конструкций на расход тепловой энергии была выполнена при разработке проекта на строительство 8-этажного жилого дома в Самаре.
Наружные стены на первых двух этажах по проекту выполнены из силикатного кирпича толщиной 0,64 м. Утепление стен наружное с использованием пенополистирола толщиной 0,11 м в качестве теплоизоляционного материала. Снаружи утеплитель защищен штукатуркой, выполненной цементно-песчаным раствором толщиной 0,03 м.
Колодцевая кладка наружных стен с 3 по 8 этажи выполнялась комбинированной. Изнутри она выполнена из силикатного кирпича толщиной 0,51 м, снаружи – из керамического кирпича толщиной 0,13 м. Перевязка через 5 рядов выполнена силикатным кирпичом толщиной 0,38 м и керамическим кирпичом толщиной 0,25 м. В воздушном зазоре толщиной 0,04 м установлена кассета, выполненная из трех листов пенофола толщиной 4 мм, защищенных алюминиевой фольгой. Листы пенофола монтируются на деревянном каркасе и играют роль тепловых экранов.
Покрытие выполнено из железобетонных пустотных плит толщиной 0,22 м, утеплено жесткими плитами из штапельного стекловолокна URSA П-75. По утеплителю проектом предусмотрена стяжка из керамзитобетона толщиной 0,1 м и цементно-песчаного раствора толщиной 0,02 м. Кровельная часть покрытия выполнена из трех слоев изопласта, в том числе изопласта с крупнозернистой насыпкой.
Подвал под жилым домом отапливаемый. В жилых помещениях предусмотрена установка оконных блоков в деревянных переплетах.
Теплотехнические расчеты строительных ограждающих конструкций выполнялись по методике, изложенной в СП 50.13330.2012, а расчеты влажностного режима – с помощью метода безразмерных характеристик [4].
Результаты теплотехнического расчета ограждающих конструкций приведены в таблице.
Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций
Тип ограждающей конструкции | Базовое значение сопротивления теплопередаче R0пр, (м2·°С)/Вт | Фактическое значение приведенного сопротивления теплопередаче R0пр, (м2·°С)/Вт |
Фрагмент наружной стены 1–2-го этажей (исполнение 1) | 3,19 | 2,895 |
Фрагмент наружной стены 3–8-го этажей (исполнение 2) | 3,19 | 2,255 |
Оконные блоки | 0,53 | 0,59 |
Покрытие | 4,76 | 4,89 |
Из указанных в таблице данных можно сделать вывод, что наружные стены не удовлетворяют условию энергосбережения по значению приведенного сопротивления теплопередаче. Поэтому энергетическая эффективность оценивалась по величине удельного расхода тепла на отопление здания. В работах [5–7] представлены мероприятия, направленные на снижение расхода тепла на отопление зданий.
Минимальный нормируемый уровень теплозащиты ограждающих конструкций определяется согласно СП 50.13330.2012 по формуле
R0норм = тр × R0тр, (м2·°С/Вт), (1)
где R0тр ‒ базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче, (м2·°С/Вт), принимаемое по величине градусо-суток отопительного периода; тр ‒ районный коэффициент, принимаемый для наружных стен не менее 0,63.
С учетом данных таблицы нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче составило 2,0 (м2·°С/Вт). Следовательно, наружные стены удовлетворяют нормативным требованиям по теплозащите.
Удельный расход тепловой энергии на отопление здания в холодный и переходный периоды года определялся по формуле
qhy = 103 × Qhy / (Ah × Dd), кДж/(м2·°С·сут), (2)
где Qhy – годовой расход тепла на отопление здания, МДж; Ah – отапливаемая площадь здания, м2; Dd – количество градусо-суток отопительного периода, °С·сут.
Для определения потребности в теплоте на отопление здания были рассчитаны потери теплоты через ограждающие конструкции помещений. Расчет выполнен в соответствии с методикой, изложенной в СП 60.133030.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
Расчет показал следующее:
– расчетные трансмиссионные теплопотери здания составляют 240891 Вт;
– расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха в жилой части здания из расчета 3 м3/ч на 1 м2 площади жилых помещений и кухонь – 228200 Вт;
– расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха общественных помещений первого этажа – 29260 Вт;
– бытовые тепловыделения в жилой части здания – 45420 Вт.
Таким образом, максимальный расчетный часовой расход теплоты составил 452931 Вт. Отапливаемая площадь здания принималась как суммарная площадь этажей здания, измеряемая в пределах внутренних поверхностей наружных стен, включая площадь лестничных клеток и лифтовых шахт, и составляет 9390 м2.
Удельный расход тепловой энергии на отопления здания равен qhy = 83,4 кДж/(м2·°С·сут).
Проектируемое здание жилого дома при подключении его системы отопления к автономной котельной имеет, согласно СП 50.13330.2012, категорию энергоэффективности – «повышенную». Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания составил 83,4 кДж/(м2·°С·сут), что ниже требуемого удельного расхода тепловой энергии системой отопления проектируемого здания при подключении его к автономной крышной или модульной котельной на газе (126 кДж/(м2·°С· сут)).
Для оценки влияния теплофизических характеристик наружных стен на энергетическую эффективность проектируемого здания был выполнен расчет теплопотерь без учета влияния оконных откосов, наружных углов и теплопроводных включений на значение приведенного сопротивления теплопередаче, т. е. расчет проводился для глади наружных стен.
Расчетные трансмиссионные теплопотери здания составили 201720 Вт.
Максимальный расчетный часовой расход теплоты – 413760 Вт. Таким образом, можно сделать вывод, что неучет влияния оконных откосов, наружных углов, теплопроводных включений приводит:
– к сокращению трансмиссионных теплопотерь на 16 %;
– к уменьшению расхода тепла на отопление проектируемого жилого здания на 10 %.
Далее на примере рассматриваемого 8-этажного жилого дома проводилось исследование влияния приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента наружной стены на трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции и на максимальный расчетный часовой расход теплоты. Для различных приведенных сопротивлений теплопередаче наружных стен, находящихся в диапазоне значений от 1 до 4 (м2·°С·сут)/Вт, определялись трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции. Производилась оценка влияния трансмиссионных теплопотерь через наружные стены, оконные откосы, окна и теплопотерь на нагрев инфильтрирующегося воздуха на максимальный расчетный часовой расход теплоты, при различных значениях сопротивления теплопередаче наружных стен.
На риc. 1 представлена зависимость трансмиссионных теплопотерь через наружные стены, включая оконные откосы, и максимального расчетного часового расхода теплоты от приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента наружной стены.
Из представленных данных на риc. 1 можно сделать вывод, что с увеличением значения приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен от 1 до 2 (м2∙°С)/Вт трансмиссионные теплопотери через наружные стены уменьшаются в два раза, максимальный расход тепла на отопление здания – в 1,33 раза. Дальнейшее увеличение Rопр до значения 3,19 (м2∙°С)/Вт приводит к уменьшению максимального расхода тепла в 1,46 раза. Следовательно, увеличить приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены выше значения, соответствующего второму этапу энергосбережения, нерационально, так как при этом резко увеличивается стоимость строительства.
Риc. 1. Зависимость трансмиссионных теплопотерь через наружные стены и максимального расчетного часового расхода теплоты от приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены: Qн.ст. – трансмиссионные теплопотери через наружные стены и оконные откосы, кВт; Qmax – максимальный расчетный часовой расход теплоты, кВт
Далее на риc. 2 показано соотношение относительных долей (трансмиссионных теплопотерь через наружные стены, включая оконные откосы, окна, и теплопотерь на нагрев инфильтрирующегося воздуха) в максимальном расчетном часовом расходе теплоты при изменении приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены.
Риc. 2. Зависимость относительных долей Qн.ст./Qmax, Qок/Qmax, Qинф/Qmax от приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены: Qн.ст./Qmax. – доля трансмиссионных теплопотерь через наружные стены и оконные откосы; Qок/Qmax – доля трансмиссионных теплопотерь через оконные конструкции; Qинф/Qmax – доля теплопотерь на нагрев инфильтрирующегося воздуха
Сравнительный анализ вклада различных видов теплопотерь, приведенный на риc. 2, показывает, что с увеличением Rопр наружных стен увеличивается относительная доля теплопотерь на нагрев инфильтрирующегося воздуха и теплопотерь через оконные конструкции.
Однако расчетные теплопотери на нагрев инфильтрирующегося воздуха уменьшить нельзя, так как они продиктованы санитарными нормами. При этом фактические теплопотери необходимо уменьшить до расчетных, используя герметичные окна и оконные откосы. Единственным реальным способом дальнейшего сокращения теплопотерь является использование энергоэффективных светопрозрачных конструкций, обладающих повышенным сопротивлением теплопередаче.
Результатом проведенных исследований является оценка энергетической эффективности зданий, определяемая расчетным значением удельного расхода тепловой энергии на отопление здания.
На риc. 3 приведена зависимость удельного расхода тепловой энергии на отопление здания от приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены.
Риc. 3. Зависимость удельного расхода тепловой энергии на отопление здания от приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены
Характер изменения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, представленный на риc. 3, соответствует изменению максимального расхода тепла на отопление здания.
Выводы. Анализ удельных потерь на отопление через гладь наружной стены показал, что увеличение её приведенного сопротивления теплопередаче выше нормативного значения, представленного в СП 50.13330 «Тепловая защита зданий», нецелесообразно. Дополнительным мероприятиям по повышению энергоэффективности здания в этом случае является увеличение теплозащитных характеристик светопрозрачных ограждающих конструкций. Результаты проведённого исследования необходимо учитывать при проектировании систем отопления зданий и сооружений.
About the authors
Yuri S. Vytchikov
Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering
Author for correspondence.
Email: git.2008@mail.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor, Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244Аlexey Yr. Vytchikov
Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering
Email: git.2008@mail.ru
Senior Researcher at the Center for Energy Saving in Construction
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244Mikhail E. Saparev
Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering
Email: msx072007@yandex.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244Alexander A. Chulkov
Samara State Technical University; Academy of Architecture and Civil Engineering
Email: ch_aleks01@mail.ru
Engineer of the Сenter for Energy Saving in Construction
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244References
- Kochev A.G., Sergienko A.S. Solving the problem of calculating the temperature fields of window slopes of buildings. Rossijskij nauchnyj zhurnal [Russian Scientific Journal], 2015, no. 3 (46), pp. 285–289. (in Russian)
- Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. Consideration of heat engineering inhomogeneities of fences when determining the heat load on the heating system of buildings. ZHilishchnoe stroitel’stvo [Housing Construction], 2014, no. 6, pp. С. 3–7. (in Russian)
- Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. Application of the methodology for accounting for heat engineering inhomogeneities of enclosing structures from the updated edition of SNiP “Thermal Protection” for calculating the load on heating and cooling systems of buildings. Inzhenernye sistemy. AVOK Severo-Zapad [Engineering systems. AVOK North-West], 2015, no. 2, pp.10–14. (in Russian)
- Vytchikov Yu.S., Saparev M.E. Application of the method of dimensional characteristics to the calculation of the humidity mode of multi-layered enclosing building structures. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2020, no. 2(39), pp.10–15. (in Russian) doi: 10.17673/Vestnik.2020.02.2.
- Neklyudov A.Yu. Calculation of the characteristics of the energy consumption of a building when determining transmission heat losses. ZHilishchnoe stroitel’stvo [Housing Construction], 2016, no. 7, pp. 11–14. (in Russian)
- Matrosov Yu.A., Butovsky I.N. Strategy for the regulation of thermal protection of buildings with efficient use of energy. ZHilishchnoe stroitel’stvo [Housing Construction],1999, no. 1, pp. 3–8. (in Russian)
- Vytchikov Yu.S., Chulkov A.A., Golikov V.A. An Updated Method for Heating Calculating in Buildings with Intermittent Heating. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2021, vol. 11, no. 2, Рp. 9–14. (in Russian) doi: 10.17673/Vestnik.2021.02.02.
Supplementary files
