среда, 20 января 2016 г.

Проектные исследования энергоэффективности архитектурных решений.

УДК  
Александр Давыдович Кваша 
Владивосток, 2014 год. 

Аннотация. 
В статье дан краткий обзор в методологии подхода к энергоэффективности в малоэтажном домостроении в России и за рубежом. Раскрыта сущность архитектурной энергоэффективности. По действующему проекту приведен расчет потерь тепла двух многоквартирных домов в с. Екатериновка Приморского края и ресурсы, необходимые на их отопление. Расчеты сведены в таблицу, которая отражает потери и ресурс тепла на каждое помещение указанных домов. В статье приведен расчет нормативной тепловой нагрузки по Постановлению №528 от 28.03.2012 года. Расчет имеет детальное пояснение для непрофессионалов. В окончании статьи приведен анализ и сделаны концептуальные выводы на перспективу. Данная статья является основанием для разработки архитектурного норматива на проектную оценку энергоэффективности малоэтажных домов. 

Ключевые слова. 
Энергоэффективность. Тепловая защита зданий. Энергопотребление. Архитектурная энергоэффективность. Расчет архитектурной энергоэффективности. Норматив тепловой нагрузки. Земляной теплогенератор. Биоэлемент возобновляемой энергии жилого дома. 

Abstract. 
The article gives a brief overview of the methodology in the approach to energy efficiency in low-rise housing construction in Russia and abroad. The essence of the architectural efficiency. Under the current project is a calculation of heat losses in the two apartment houses in village Ekaterinovka Primorsky Territory and resources on their heating. Calculations are summarized in the table, which reflects heat loss and resource for each of said room houses. The article presents the calculation of the heat load of the regulatory Decree №528 from 28.03.2012 year. Calculating a detailed explanation for non-professionals. At the end of the article is an analysis of the conceptual and made conclusions for the future. This article is the basis for the development of architectural design standard for assessment of energy efficiency of low-rise houses.  

Keywords. 
Energy efficiency. Thermal protection of buildings. Energy consumption. Architectural Energy Efficiency. Calculation of architectural efficiency. Standard heat load. Ground heat source. Bioelements renewable energy house. 
...................................................................................

Методика подхода в исследованиях. 
В отечественных нормах прошлого столетия был упрощенный подход к тепловой защите домов и зданий. Его регламентировали по СНиП 2.04.05-91*, СНиП 23-02-2003 и СНиП II-3-79*. В новых стандартах необходимо более детально учитывать тепловые характеристики ограждающих конструкций: теплоустойчивость, воздухопроницаемость, влажность и теплоусвоение. В стандартах Европы и Америки, а также в разрабатываемых СП РФ энергоэффективность, кроме тепловой защиты, включает энергопотребление. В них учитывают тепло солнечной радиации, бытовые тепловыделения, горячее водоснабжение, дополнительные источники энергии и т. д. Такой комплексный подход к энергоэффективности объектов позволяет более точно учитывать и нормировать баланс энергопотребления с учетом применения современных материалов, изделий, приборов и технологий энергосбережения. В указанных стандартах для повышения энергоэффективности делают упор в основном на повышении теплового качества ограждающих конструкций с одновременным использованием энергосберегающих бытовой техники и технологии жизнеобеспечения [1-7, 10-11, 14-15, 17]. 

В нашем случае мы исследуем энергоэффективность в зависимости от принятых архитектурных решений. Здесь мы можем изменить методику подхода: достаточно рассчитать потери тепла через ограждающие и разделяющие конструкции, оценить затраты тепла на их компенсацию и сопоставить полученные результаты с действующими нормативами потребления тепла [8-9, 13]. Таким образом мы можем ориентировочно оценить принятые в проекте архитектурные решения. Это очень важно для предварительной оценки проектов в малоэтажном домостроении. Ведь энергопотребление в принципе можно регулировать, а менять архитектурную энергоэффективность весьма сложно и дорого.

Общие данные по проекту. 
Наименование объекта: 
Жилые дома по адресу: ул. Партизанская в с. Екатериновка Приморского края. 
Классификация здания по стандартам РФ. 
Класс здания – II 
Степень долговечности - I 
Уровень ответственности здания – II  
Категория здания по взрывопожарной и пожарной опасности – Д 
Класс пожарной опасности несущих строительных конструкций – К0 
Класс конструктивной пожарной опасности здания – С0 
Степень огнестойкости здания и пожарных отсеков – I  
Класс зоны пожароопасности квартир по ПУЭ – П-IIа 
Категория здания по ПУЭ – III 

Назначение и технико-экономические показатели. 
Назначение здания: жилые многоквартирные дома по программе переселения из аварийного и ветхого жилого фонда с. Екатериновка; 
Количество домов: 2 жилых дома; 
Этажность: 3 этажа; 
Состав квартир по проекту: 
1-й жилой дом: 13 однокомнатных квартир и 7 двухкомнатных квартир; 
2-й жилой дом: 4 двухкомнатных квартир и 8 трехкомнатных квартир; 
Всего по жилым домам: 13 однокомнатных квартир, 11 двухкомнатных квартир и 8 трехкомнатных квартир. 
Количество квартир: 32 квартира; 
Общая площадь квартир: 1550,7 кв.м.; 
Общая площадь зданий: 2591,3 кв.м.; 
Высота здания: 13,8 м.; 
Размеры в плане: D=22,9 м.; 
Строительный объем надземной части здания: 5681 куб. м. 

Приложения: 
Рис. 1. Схема организации земельного участка М 1: 250; 
Рис. 2. Входной фасад; 
Рис. 3. План подвала. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 4. План 1-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 5. План 2-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 6. План 3-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 7. Разрез 1-1. Схема распределения температуры по разрезу; 

Расчет потерь тепла и ресурсов отопления на один жилой дом.
Особенности температурного режима эксплуатации жилых домов. 
1. Повышенная температура воздуха помещений подвала принята по желанию Заказчика. В них в последствии разместят офис и подсобные помещения Управляющей компании. 
Естественная температура воздуха помещений подвала без их отопления, но с учетом тепловых инженерных коммуникаций, ниже и составляет примерно от +6 до +10oC; 

2. В проекте предусмотрены следующие температурные зоны: жилая имеет +20oC, вспомогательная - +18oC (прихожая, санузлы и ниши), ствол коммуникаций - от +14 до +16oC. Такая температурная организация пространства (или внутренняя радиальная теплопередача) позволяет рационально отапливать жилой дом. При этом, ствол коммуникаций является своеобразным аккумулятором тепла, который увеличивает тепловую инерцию жилого дома при потерях тепла на порядок. 

3. Температурный баланс ствола коммуникаций положителен. Он поддерживается тепловыделениями через внутренние ограждающие стены квартир и приборами отопления, установленными в стволе подвала; 

4. В проекте сделана попытка предусмотреть в расчете геотепло и максимально задействовать его в температурном режиме эксплуатации здания. Однако, здесь нужны исследования на натурных объектах. 

Нормативное сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций. 
Теплотехнический расчет для типовых жилых домов выполнен в соответствии с требованиями СНиП 2.04.05-91*, СНиП 23-02-2003 и СНиП II-3-79*. 
Минимальные значения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций по условиям Б: 
Показатели градусосутки отопительного периода:  
Продолжительность отопительного периода - 196 суток; 
Средняя температура отопительного периода - +3,90С; 
Температура внутреннего воздуха помещений квартир - от +18 до +20°С;  
ГСОП = (20+3,9) × 196 = 4685 градус/сутки 
Приведенное нормативное сопротивление теплопередачи ограждения квартир: 
Стен - Rпр. = 3,04 м²∙⁰С/Вт 
Покрытие - Rпр. = 4,54 м²∙⁰С/Вт 
Окон - Rпр. = 0,50 м²∙⁰С/Вт 

Теплосопротивление ограждающих и разделяющих конструкций по проекту. 
Расчет теплосопротивления пола подвала по пласти: 
Rо = 0,265 м² ∙ ⁰С/Вт; 
Приведенное теплосопротивление пола подвала по зонам шириной 2 м по периметру наружных стен λ ≥ 1,2: принимаем равным 
Rс = 4,3 м² ⁰С/Вт; 
Приведенное теплосопротивление утепленных стен подвала, расположенных ниже уровня земли λ ≤ 1,2: принимаем равным 
Rh = 5,97 м² ⁰С/Вт; 
Расчет теплосопротивления стен подвала, расположенных выше уровня земли:  
Rо = 1,829 м² ⁰С/Вт; 
Расчет принятого пола квартир 1-го этажа и пола квартиры 2 этажа над входом в дом: 
Rо ≈ 1,05 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятого утепленного стенового ограждения толщиной 400мм из андезитобазальтовых камней с пенополистирольным вкладышем [16, 18]: 
Rо ≈ 4,50 > Rпр. = 3,04 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятого утепленного стенового ограждения входных помещений толщиной 300мм из андезитобазальтовых камней с пенополистирольным вкладышем [16, 18]: 
Rо ≈ 2,50 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятого пола лоджии над входом в дом: 
Rо ≈ 1,92 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет внутренней квартирной перегородки: 
Rо ≈ 1,93 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет утепленного стенового железобетонного ограждения ствола коммуникаций: 
Rо ≈ 1,09 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятого утепленного кровельного покрытия: 
Rо ≈ 4,57 ≥ Rпр. = 4,54 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет утепленного стенового каменного ограждения фонаря: 
Rо ≈ 2,34 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет утепленной кровли фонаря: 
Rо ≈ 3,16 м²∙⁰С/Вт; 
Приведенное сопротивление теплопередачи окон, балконных дверей и остекления фонаря: 
Rо = 0,54 ≥ Rпр. = 0,50 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятой конструкции наружных и входных дверей: 
Rо ≈ 1,16 м²∙⁰С/Вт; 
Расчет принятой конструкции внутренних дверей: 
Rо ≈ 0,42 м²∙⁰С/Вт; 

Расчет потерь теплоты одного жилого дома через ограждающие конструкции. 
Расчет выполнен в соответствии с требованиями СНиП 2.04.05-91*. 
Жилой дом рассчитывали, как типовой объект малоэтажного домостроения, то есть учитывали добавочные потери тепла в зависимости типа объекта по применению. В расчете добавочные потери составляют 13% от доли основных потерь тепла. 
Расчетная формула: 

Q = А (tp – text) (1+ ∑ β) n/R (приложение 9 СНиП 2.04.05-91*) 

где, 
А – расчетная площадь ограждающей конструкции, м2; 
R – сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции, м2 0С/Вт; 
tp - принятая в проекте расчетная температура воздуха в помещении; 
text – расчетная температура наружного воздуха или воздуха более холодного помещения; 
β – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь; 
n – коэффициент положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху; 

Результаты расчета сведены в таблицу (рис. 8). 

Результат по расчету. 
По расчету на компенсацию потерь тепла через ограждающие конструкции 1-го жилого дома и поддержания необходимого температурного режима эксплуатации необходима мощность отопительных приборов в 21,7 кВт или 17,0 Вт/м2. 
Мощность отопительных приборов 2-го жилого дома также равна 21,7 кВт или 16,5 Вт/м2. 
Принимаем расчетную тепловую нагрузку на жилые дома в объеме 21,7 кВт × 2 жилых дома = 43,4 кВт = 16,7 Вт/м2. 

Расчет норматива на отопление. 
Все ресурсы жизнеобеспечения определяют в соответствии с Постановлением Правительства РФ №528 от 28.03.2012г. «О внесении изменений в правила установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг» и Приложения к этому Постановлению «Формулы, используемые для определения нормативов потребления коммунальных услуг» [13]. 

По приложению к Постановлению №258 от 28 марта 2012 года, норматив на отопление современных жилых домов (построенных после 1999 года) составляет: 
No = Qo / [(Sоб + Sои) × nот] (формула 5); 
No = 250 Гкал/от. период / [(2593 + 0,0) м2 × 7 календ. месяцев] = 13773,3 ≈ 13733 ккал/м2 в месяц = 21,81 Вт ч/м2; 
No = 250 Гкал/от. период / (196 суток / 30,5 дней в месяце) = 38,9 Гкал/месяц = 1,275 Гкал/день = 53146 ккал/ч = 61798 Вт ч = 23,83 ≈ 23,8 Вт ч/м2; 
Принимаем норматив потребления коммунальной услуги по отоплению двух многоквартирных домов в п. Екатериновка равный 23,8 Вт/м2; 

Примечание: разница в показателях Вт ч/м2 исходит из того, что в формуле указано 7 полных месяца, а по расчету - 196 суток / 30,5 суток/месяц = 6,426 месяца. 

Где по формуле 5, 
No - норматив потребления коммунальной услуги по отоплению в жилых помещениях (Гкал или Вт на 1м2 общей площади всех помещений в многоквартирном доме в месяц, день, час); 
Qo - количество тепловой энергии, потребляемой за один отопительный период многоквартирными домами, не оборудованными коллективными (общедомовыми) приборами учета тепловой энергии (Гкал/от. период); 
Sоб = 2592,6 ≈ 2593 м2 - общая площадь жилых домов; 
Sои = 0,0 м2 - общая площадь помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирных домах; 
nот = 7 календарных месяцев - период, равный продолжительности отопительного периода (количество календарных месяцев, в том числе неполных, в отопительном периоде), в котором произведены измерения суммарного расхода тепловой энергии на отопление многоквартирных домов; 

Qo = ∑qmax × [(tвн – tсро) / (tвн – tро)] × 24 × nо × 10-6 (формула 19); 
Qo = 74 408 ккал час × [(20+10,7) / (20+23)] × 24 × 196 × 10-6 = 249894595,9 ккал = 249,894 ≈ 250 Гкал в отопительный период; 

Где по формуле 19, 
∑qmax = qmax1 + qmax2 = 74 407,62 ≈ 74 408 ккал час - часовая тепловая нагрузка на отопление двух многоквартирных домов; 
tвн = +20°С - температура внутреннего воздуха отапливаемых жилых помещений многоквартирного жилого дома; 
tсро = -10,7°С - среднесуточная температура наружного воздуха за отопительный период; 
tро = -23°С - расчетная температура наружного воздуха в целях проектирования систем отопления; 
nо = 196 суток - продолжительность отопительного периода в год, характеризующегося среднесуточной температурой наружного воздуха +8°С и ниже; 
24 - количество часов в сутках; 

qmaxi = qуд × Si (формула 20); 
qmax1 = 28,7ккал ч/м2 × 1277,8 м2 = 36 672,86 ккал ч; 
qmax2 = 28,7ккал ч/м2 × 1314,8 м2 = 37 734,76 ккал ч; 

Где по формуле 20, 
qmax1 - часовая тепловая нагрузка на отопление первого многоквартирного дома; 
qmax2 - часовая тепловая нагрузка на отопление второго многоквартирного дома; 
qуд = 28,7 ккал ч/ м2 - нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление многоквартирного дома (ккал в час на 1 м2), предусмотренный в таблице 4 [13]; 
S1 = 1277,8 м2 - общая площадь первого многоквартирного дома; 
S2 = 1314,8 м2 - общая площадь второго многоквартирного дома; 

Анализ и основные выводы: 
* Преимущества проектируемых жилых домов по энергоэффективности архитектурных решений: 
1. Принятый расчетный показатель на 16,7 Вт/м2 : 23,8 Вт/м2 = 0,7016 = 29,832% ≈ 30 % меньше, чем нормативный. 
Даже, если принять во внимание неточность в методике подхода и погрешность в вычислениях по максимуму 3-5%, то результат от этого существенно не изменится; 

2. Энергоэффективность достигается архитектурными решениями. Здесь можно исключить, а) затраты на приобретение, монтаж и эксплуатацию дорогого энергосберегающего оборудования; б) дальнейшее нерациональное и дорогое увеличение теплосопротивления наружных ограждающих конструкций жилых домов; 

3. По сравнению с традиционными домами, построенными сегодня, у проектируемых домов потери тепла по расчету меньше на 20-40%. В связи с этим, проектируемые объекты имеют перспективу на рынке строительства не в какой-то перспективе, а уже в настоящее время практически во всех регионах страны; 

4. Проектируемые объекты имеют резервы в повышении энергоэффективности: 
а) «юбочная» теплоизоляция под отмосткой (шириной 1-2 метра от наружного стенового ограждения подвала) позволить приблизить температурный ноль к поверхности земли и повысить температуру грунта у стен подвала; 
б) остекление лоджий образует световой тамбур, что безусловно и существенно снизит теплоотдачу через наружное фасадное ограждение; 
в) снижение температуры эксплуатации помещений подвала до естественной температуры грунта на отметке заглубления фундаментов (примерно +5 до +8⁰С) и увеличение теплосопротивления ограждающих конструкций смежных жилых помещений снижает до минимума теплопотери через помещения подвала; 
г) переход от призменной архитектуры к цилиндрической. Тем более, что он продиктован технологией монолитного железобетона и кладкой каменных конструкций. Этот же подход в перспективе даст возможность рационализировать технологию возведения объектов с применением строительного «принтера». 

* Мероприятия перспективного повышения энергоэффективности: 
д) обеспечить беспрепятственное и бесперебойное поступление геотепла. Этот вечный земляной теплогенератор можно применять при условии понижения влажности поступающего из грунта тепла. Здесь необходимо разработать устройство и способ действия этого генератора без каких-либо механизмов. В противном случае теряется смыл разработки; 
е) совместить солнечные элементы источников возобновляемой энергии с наружным ограждением объекта и исключить какие-либо механизмы слежения за солнцем; 
ж) разработать элемент источника возобновляемой энергии нового поколения, который вырабатывал бы энергию от внешнего воздействия на него – солнца, ветра, разницы температуры, влажности и движения. По всей вероятности, это будет биоэлемент возобновляемой энергетики будущего; 

* Промежуточные выводы: 
Во-первых, выполнение указанных мероприятий позволит уменьшить затраты на тепловую энергию примерно еще на 10-20%, а в перспективе приведет к полной энергетической автономии малоэтажных жилых домов; 
Во-вторых, для полного завершения работ необходимо исследовать в натуре традиционный жилой дом и провести его сравнительный теоретический расчет энергоэффективности. Желательно выбрать жилой дом того же строительного объема, той же площади квартир, в том же районе строительства и с теми же условиями эксплуатации. Только после этого можно будет сравнить оба варианта и подвести промежуточные итоги; 
В-третьих, здесь есть проблемы по внедрению, а) неясное отношение архитектурной администрации на местах к архитектурному новаторству в малоэтажном домостроении. То есть, нет практического стремления к новаторству на федеральном уровне, и оно не передается на региональный и местные уровни. Известное застойное явление: «Голова думает, но не действует → все остальное спит и не шевелится»; б) по известным причинам заинтересованное предпочтение связки «администрация ↔ подрядчик» в «обкатанном» взаимоотношении и строительстве традиционных (коробчатых со скатными крышами) домов; 

* Перспективы применения. 
Чем раньше мы начнем применять рациональную архитектуру, тем меньше мы будем сжигать топливо для теплоснабжения домов в будущем. 
Например, экономия энергии (в том числе и тепла на отопление) в жилых ячейках (квартир и индивидуальных домов) всего мира в малоэтажной среде на 2 кВт в сутки позволит сэкономить ежегодно 289 млн. тонн нефти или 413 млн. тонн угля ежегодно. 
Экономия энергии на 2 кВт в сутки (в том числе и на отопление) в построенных новых жилых ячейках за 10 лет в России позволит сберечь в перспективе 14 млн. тонн нефти или 20 млн. тонн угля ежегодно. 
При таком рациональном подходе к архитектурным решениям малоэтажных жилых домов мы сможем в недалеком будущем полнее использовать маломощную энергетику возобновляемых источников энергии и повысить уровень автономности объектов малоэтажного домостроения. 

Библиографический список и источники интернета: 
(Bibliographic list of sources and the Internet) 
1. Марков Д. И. «Основные принципы проектирования энергоэффективного малоэтажного дома». УДК 728.84: 721.012.12 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург, Россия. 2010; 
2. Марков Д. И. «Особенности формирования энергоэффективных жилых зданий средней этажности». Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург, Россия. 2010; 
3. Осипов Г. Л., Матросов Ю. А. «Стратегия устойчивого развития строительного комплекса России». УДК 69(470+57): 351.778.53 НИИ строительной физики РААСН, г. Москва, Россия. 2006; 
4. Огородников И. А., Бородулин В. Ю. «Опытно-экспериментальный подход к оптимизации показателей энергоэффективности малоэтажных зданий». УДК. 624:504. 003.1 Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск; 
5. Петрова З. К. «Технология «умного дома» и энергоэффективная малоэтажная жилая застройка». ЦНИИП градостроительства РААСН, Москва, Россия; 
6. Судо М. М., Казанкова Э. Р. «Энергетические ресурсы. Нефть и природный газ. Век уходящий»; 
7. Соснов В. С. «Исследование и разработка энергоэффективных отопительно-вентиляционных блок-модульных панелей для малоэтажных зданий». УДК 697:536.24 Сибирский федеральный университет;  
8. СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Издание официальное. Москва 2000;  
9. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Госстрой России. Москва 2004; 
10. СП «Энергетическая оценка зданий. Методы выражения энергетических характеристик зданий и сертификация энергопотребления зданий». Проект свода правил. Норматив по европейской классификации: EN 15217:2007. Министерство регионального развития РФ. Москва, 2013; 
11. СП «Энергетическая эффективность зданий - расчет потребления энергии для отопления и охлаждения». Проект свода правил. Норматив по европейской классификации: EN 13790:2008. Министерство регионального развития РФ. Москва, 2013; 
12. Постановление №235 от 13 апреля 2010 года «О внесении изменений в Положение о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию». Правительство Российской Федерации; 
13. Постановление №258 от 28 марта 2012 года «О внесении изменений в правила установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг». Правительство Российской Федерации; 
14. Приказ Министерства регионального развития РФ №262 от 28 мая 2010 года «О требованиях энергетической эффективности зданий, строений, сооружений»; 
15. Приказ Министерства регионального развития РФ №229 от 4 июня 2010 года «О требованиях энергетической эффективности товаров, используемых для создания элементов конструкций зданий, строений, сооружений, в том числе инженерных систем ресурсоснабжения, влияющих на энергетическую эффективность зданий, строений, сооружений»; 
16. ГОСТ 6133-99 «Камни бетонные стеновые. Технические условия»; 
17. ГОСТ Р 51541-99 «Энергетическая эффективность. Состав показателей». ФГУ «Российское агентство энергоэффективности». Минтопэнерго России; 
18. ТУ 5741-001-16534821-2006 «Блок стеновой рядовой (порядовочный) андезитобазальтовый с пенополистирольным вкладышем»; 

Перечень иллюстраций. 
Рис. 1. Схема организации земельного участка М 1: 250; 
Рис. 2. Входной фасад; 
Рис. 3. План подвала. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 4. План 1-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 5. План 2-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 6. План 3-го этажа. Схема распределения температуры по плану; 
Рис. 7. Разрез 1-1. Схема распределения температуры по разрезу; 

Атрибуция иллюстраций. 
Все иллюстрации взяты из проекта «Жилые дома по ул. Партизанской в с. Екатериновка Приморского края». 
Автор проекта и автор статьи: Александр Давыдович Кваша.









..............................................................................