QUALITY AND RELIABILITY OF THERMAL PERFORMANCE OF BUILDINGS

Abstract

The issues of quality and reliability of thermal performance of buildings in the current conditions, the design and operation in accordance with the new requirements of building regulations in the light of saving fuel and energy resources and the economy. We present the theory of heating calculation of building envelopes using probabilistic methods.

Full Text

Ученые и проектировщики, увеличив требования к теплозащитным качествам наружных стен и где tint внутренняя температура помещения, для покрытий более чем в три раза, возлагали большую роль на ограждающие конструкции при решении проблемы энергосбережения в строительстве. Нормирование теплозащитных качеств наружных стен из условий энергосбережения стал основным при выборе наружных конструкций зданий. В основных районах строительства России, где расчетная зимняя температура ниже минус 20 °С, наружные стены вынуждены проектировать многослойными. Каждая ограждающая конструкция здания должна обладать требуемым термическим сопротивлением R (м² °С/Вт), установленным СНиП 23-02-2003 “Тепловая защита зданий”. Но если рассматривать различные по этажности, по объемнопланировочному и конструктивному решению здания, то можно выявить существенные различия в перераспределении тепла, уходящего через ограждающие конструкции здания. Тепловая нагрузка на различные ограждающие конструкции кирпичного здания для города Самары представлена в табл. 1 на основе рис. 1, исследованная с применением известной формулы теплового потока Q: жилых зданий, равная 20 °С; text температура наружного воздуха (для Самары равна минус 28 °С); Ro термическое сопротивление ограждающей конструкции; F площадь ограждения. Термические исследования показали, что нагрузка тепла на наружные стены многоэтажного здания увеличена больше чем в два раза. Перераспределение количества тепла в одноэтажном доме через другие ограждения снижают поток тепла через наружные стены (табл. 1). В силу этих причин с недавних пор в новом СНиП “Тепловая защита зданий” были учтены эти обстоятельства и здание стали рассматривать не как совокупность отдельных ограждающих конструкций, а как единый целый объект, теряющий тепло. Разработан бланк теплоэнергетического паспорта с подробным описанием расчета его составляющих. Этим достигнут положительный момент в процессе науки “Строительная теплофизика”. Ученые пытаются в своих исследованиях уточнять при расчете теплопотерь влияние влаги, пара, ветра и воздухопроницаемости. Введен в расчет потенциал влажности. Q  (tint  text ) Ro  F , (1) Однако возникают вопросы, которые касаются, с одной стороны, сбережения топливно-энергетических ресурсов и проектирования многослойной теплой стены, с другой – долговечности, огнестойкости и качества этой сложной в креплении конструкции утепления. Если она недолговечна (как показывает опыт), то затраты на замену конструкции утепления могут перекрыть стоимость топлива. Встает вопрос и о периодичности замены. Проведенные автором теоретические исследования зависимости теплопотерь (рис. 2) от увеличения толщины утеплителя в конструкции нагрузкой кирпичной стены толщиной 0,51м, утепляемой эффективным утеплителем с λ = 0,06 в Самаре, показали, что кривая зависимости (рис. 3) уравнение регрессии в форме гиперболы имеет вид: y  a  b / x . (2) Гиперболические зависимости характерны для связей, когда результативный признак имеет односторонний предел, а нормальные уравнения метода наименьших квадратов для гиперболы имеют вид: n n ⎧na  b 1  y , ⎪   i ⎪ 1 xi 1 ⎨ n n n (3) ⎪a 1  b 1   yi . 2 ⎩⎪ 1 xi 1 xi 1 xi Рис. 1. Теплопотери в зданиях: а – одноэтажных; б многоэтажных; 1 через наружные стены; 2 через чердачные перекрытия; 3 через полы по грунту или холодные надподвальные перекрытия; 4 через окна; 5 через входные двери; 6 через открывающиеся проемы Из табл. 2 и по рис. 3 видно, что при толщине утеплителя 2 см стена достигает уровня санитарногигиенического состояния внутренней поверхности, т.е. Ro требуемого сопротивления теплоотдачи. Система уравнений имеет вид: ⎧15a  3.3143b  341.56, ⎨ ⎩3.3143a 1.58b  102.15. Решение системы уравнений дает значения показателей Таблица 1 a  15.817 , b  31.462 . Теплопотери зданий в зависимости от этажности Показатель Теплопотери, % Ограждающие конструкции 1-эт. дом 9-эт. дом Поле стены 25 59 Чердачное перекрытие 23 6 Полы надподвального перекрытия 9 5 Окна 24 20 Двери 2 Притворы проемови открывающиеся проемы 17 10 Уравнение регрессии имеет вид y  15.817  31.462 , x где x измеряется в сантиметрах. При приведенном сопротивлении теплоперем2 оС о даче R пр= 3.19 Вт ут c δ = 130 мм, теплопотери Q составят 15 Вт/ч. Гиперболическая зависимость и табл. 2 показывают , что при увеличении R пр с 2,19 до 3,19 м2 оС Вт о теплопотери стены уменьшаются только на 15 %. Это не оправдывает чрезмерное увеа б Рис. 2. Расчетная схема стены: а – теплопередача через наружную стену; б расчетная схема теплопотерь при увеличении толщины утеплителя бут на 0.01 м последовательно; I тепловосприятие внутренней поверхности; I теплопроницание через ограждение; III теплопередача наружному воздуху личение слоя теплоизоляции , что ниже энергозатрат на отопление и горячее водоснабжение и затрат на капитальные ремонты недолговечных стен [2]. ствия является задачей определения уровня выброса случайной функции с заранее заданной длительностью выброса. Поиск наиболее приемлемой методики теплоАнализ text предлагается провести по данным технического расчета наружных стен по критериям санитарно-технического состояния стены и сбережения топливно-энергетических ресурсов можно вести , отказавшись от детерминированного метода в пользу вероятностного , при котором среднее значение температуры наружного воздуха text заменяется статистическим рядом её значений за отопительный период. С точки зрения математической статистики гидрометфонда Самарской губернии за 40-50 лет. Построив графики изменения температур наружного воздуха за отопительные периоды за определенные года и наложив их друг на друга, можно проанализировать результаты и сделать предварительные выводы (рис. 4). Предположительно за отопительный период резкое понижение зимой температуры наружнозадача выяснения расчетной text и периода её дейго воздуха в среднем можно наблюдать три-четыре Рис. 3. Зависимость теплопотерь от увеличения толщины утеплителя в наружной стене Зависимость теплопотерь от увеличения толщины утеплителя в наружной стене Таблица 2 y x X2 X δут,см Rут Rстены Теплопотери Q, Вт/ч Примечание y значение 42,3 1 X1 0 1,027 Y1 46,74 Отказ при Rтр=1.38 Q=34,78 17,7 4 X2 1 0,166 1,193 Y2 42,3 10,48 9 X3 2 0,33 1,357 Y3 35,4 7,8 16 X4 3 0,5 1,527 Y4 31,43 5,16 25 X5 4 0,67 1,69 Y5 28,4 Обеспечение качества теплозащиты 3,93 36 X6 5 0,83 1,86 Y6 25,8 3,13 49 X7 6 1 2,027 Y7 23,6 2,54 54 X8 7 1,16 2,19 Y8 21,92 2,11 21 X9 8 1,33 2,36 Y9 20,34 1,78 100 X10 9 1,5 2,527 Y10 19 1,52 121 X11 10 1,67 2,69 Y11 17,84 1,32 144 X12 11 1,83 2,86 Y12 16,78 1,15 169 X13 12 2 3,027 Y13 15,86 1,02 196 X14 13 2,17 3,19 Y14 15 При Rпр = 3,19 Q=15,0 перерасход тепла 0,91 225 X15 14 2,33 3,36 Y15 14,29 102,15 X16 15 2,5 3,53 Y16 13,6 pa3a. Ha rpaqMKe oHM o6o3HaqeHI y1 , y2 M y3 . KoAMqeCTBo oTKa3oB Hi 3a CpoK '.3KCnAyaTau;MM I1po4oA)KMTeAhHoCTM TaKMx noHM)KeHMM He 6oAee orpa)K4eHM51 Mo)KHo onpe4eAMTh no qopMyAe, npe4Ao)KeHHoM IO.A. CyxoBIM (IJ,HMMCK MM. KyqepeHKo 4Byx-qeTIpex CyToK o6o3HaqeHI KaK T1 ; T2 M T3 foCCTpo51 CCCP): CooTBeTCTBeHHo. CaMo o6o3HaqeHMe T roBopMT o6 oTKa3e CTeHoBoro orpa)K4eHM51, KoTopIM HaCTynaeT T i Hi  Q j • Hi j , (5) npM noHM)KeHMM TeMnepaTypI Ha BHyTpeHHeM noi1 j1 BepxHoCTM Tint HM)Ke npe4eAhHo 4onyCTMMoM r4e Q j Bepo51THoCTh oTKa3a Ha j -M ro4y '.3KCnAyaTaTint  t int  /)t H , °c. (4) u;MM; Ho=1; Hi j  Hi j / (1 E)i Ko'.3qqMu;MeHT Tint  T pocb . npMBe4eHM51 pa3HoBpeMeHHIx 3aTpaT no CH 509-78 [3]; Значения xi и yi для решения системы уравнений Таблица 3 xi yi 1xi x 2i 1 x 2i yi xi 0 46,74 0 1 42,3 1 1 1 42,3 2 35,4 0,5 4 0,25 17,7 3 31,43 0,333 9 0,11 10,48 4 28,4 0,25 16 0,625 7,1 5 25,8 0,2 25 0,04 5,16 6 23,6 0,17 36 0,03 3,93 7 21,92 0,13 49 0,02 3,13 8 20,34 0,125 64 0,016 2,54 9 19 0,11 81 0,012 2,11 10 17,84 0,1 100 0,01 1,78 11 16,78 0,09 121 0,0083 1,52 12 15,86 0,8333 144 0,007 1,32 13 15 0,08 169 0,006 1,15 14 14,29 0,07 196 0,005 1,02 15 13,6 0,06 225 0,0044 0,91 341,56 3,314 1,58 102,15 ext Рис. 4. График изменения t ý = f(z о.п. ext ) за определенный отопительный период, где t ý эксплуатационные значения температур наружного воздуха ; Zо.п. – количество дней отопительного периода j Q  1 S / ( ju  S) , r4e Ci Ce6eCToMMoCTh oCyru;eCTBAeHM51 npoeKTHoro r4e S  W0 / (1 W0 ) ; ST  WT / (1WT ) ; perneHM51, p./M²; N HopMaTMB oTqMCAeHMM B qoH4 o6ru;eCTBeHHoro noTpe6AeHM51 (N=0.4); 3ni 3apa6oTU  1 ln(S / S ) , Ha51 nAaTa B Ce6eCToMMoCTM e4MHMu;I npo4yKu;MM ln T 34eCh W0 M WT t Ko'.3qqMu;MeHTI Ha4e)KHoCTM KoHCTpoMTeAhHoro npoM3Bo4CTBa, p./M²; EH HopMaTMBCTpyKu;MM CooTBeTCTBeHHo B HaqaAe M B KoHu;e '.3KCnAyaTau;MM. HIM Ko'.3qqMu;MeHT CpaBHMTeAhHoM '.3qqeKTMBHoCTM 0,12 1/ro4; Ki KanMTaAhHIe BAo)KeHM51 B oCHoBHIe M o6opoTHIe qoH4I CTpoMTeAhHIx opraHM3au;MM M PaCnpe4eAeHMe TeMnepaTyp text Mo)KHo onMConp51)KeHHIe oTpaCAM npoM3Bo4CTBa CTpoMTeAhHIx CaTh '.3KCTpeMaAhHIM 3aKoHoM fyM6eA51 (4BoMHIM '.3KCnoHeHu;MaAhHIM): a(ut ) y  ea(ut )e , (6) KoHCTpyKu;MM, p. * ro4/M²; 31 ro4oBIe '.3KCnAyaTau;MoHHIe paCxo4I, p. / ro4/M²; 32 3aTpaTI Ha TonAMBo, r4e a  1.28255 / at ; u  0.5745 / a napaMeTp./M²; Cy CToMMoCTh yru;ep6a oT oTKa3a KoHCTpyKpI paCnpe4eAeHM51 fyM6eA51; 3 u;MM, p./M²; C  C cmp  Cnocmop , (11) t  t ext , at Cpe4HeKBa4paTMqeCKoe oTKAoHecmp y y y HMe paCnpe4eAeHM51 t 3 ext . r4e Cy CTpoMTeAhHIM yru;ep6 B pe3yAhTaTe oTKa3a 3aBMCMMoCTh (6) no3BoA51eT onpe4eAMTh 3HaqeKoHCTpyKu;MM; C nocmop y noCTopoHHMM yru;ep6, HaHeHMe MMHMMaAhHoM TeMnepaTypI 3a nepMo4 '.3KCnAyaTau;MM T CTeHI: ln(T ) CeHHIM oTKa3oM KoHCTpyKu;MM (u;eHHIe KHMrM, картины , находившиеся у отказавшей стены и испортившиеся в результате отсыревания ). tT  u  . (7) a 3 Учет экономических последствий выражается коэффициентом экономической ответственности I1pM '.3ToM CTaH4apT paCnpe4eAeHM51 tH HeM3MeHHIM. oCTaeTC51 β  Сy . (12) PaCnpe4eAeHMe 3HaqeHMM Tint Mo)KHo noAyqMTh npM pa3AMqHIx ToAru;MHax yTenAMTeA51 orpa)K4eHM51 3 Ci  N Зпi  EH  Ki Из отношения термического сопротивления оптимизированной конструкции к требуемому терnpM pa3HIx 3HaqeHM51x A, t ext M tT . мическому сопротивлению теплопередаче получаем Bepo51THoCTh npo51BAeHM51 oTKa3a Q M Ha4e)KHoCTh W orpa)K4eHM51 no qyHKu;MM “TenAo3aru;MTa” BIqMCA51 TC51 no qopMyAaM: 2  (T-Ti ) коэффициент надежности по теплозащите Кн, который можно выразить формулой Kн  a  b  ln β . (13) 16 1 Q   • e  aT n T 2a2 d T , (8) Данная формула графически будет иметь обратную гиперболическую зависимость. Предложенная методика может обосновать с W  1 Q . (9) 3aTeM Mo)KHo BIqMCAMTh KoAMqeCTBo oTKa3oB Hi no qopMyAe (5) 3a T AeT '.3KCnAyaTau;MM. наивысшей вероятностью назначение вероятностного требуемого сопротивления теплопередаче с учетом экономических последствий , причем есть и математическое обоснование проблемы. I1pMBe4eHHIe 3aTpaTI lli C yqeToM KoAMqeCTBa Следует сказать, что теплопотери здания заoTKa3oB Hi 3a CpoK '.3KCnAyoTau;MM onpe4eA51 TC51 no qopMyAe lli  Ci  N • 3ni  EH • Ki  31 / EH  32  Cy • H , (10) висят еще и от качества строительных работ. Некачественно выполненные стыки между полем стены и оконными блоками, технологические завышения плотности материала стен, первоначально завышенная влажность могут существенно увеличить Рис. 5. Теплотехнические дефекты наружных стен теплопотери здания, несмотря на тщательно обоснованные толщины слоев и соответствующие коэффициенты материалов этих слоев (рис. 5). Проблему следует рассматривать комплексно со стороны качества и теплозащиты здания. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Строительная теплотехника: актуальные вопросы нормирования [Текст] // Труды I Всероссийской научно-технической конференции. – СПб.: СПб. ЗНИиПИ, 2008. – 214 с. Ананьев, А.И. Об уровне теплозащиты [Текст] / С.А. Байкова, М.Н. Ефименко // К вопросу нормирования теплопроводимости материалов и теплозащитных свойств наружних ограждающих конструкций зданий. М., 2003. С. 26-30. Павлова, Л.В. Современные энергосберегающие ограждающие конструкции зданий. Стены: учебное пособие [Текст] / Л.В. Павлова; Самарск. гос. арх.-строит. универ. – Самара, 2011. – 64 с. © Павлова Л.В., 2013