2278

ARCHITECTURE

heat utilization is considered. For the second group of buildings, a rationale was given for recording the results of the calculation of the economizer effect in the method for determining the effect of air infiltration on their heat demand. In buildings of the third group, it was proposed to take into account heat losses in the process of air exfiltration through the outer enclosures of the upper floor. For the fourth group of buildings the effect of thermal lag of enclosing structures on the heat loss of a building during a cold snap is shown..

Keywords: urban development, energy saving, infiltration and exfiltration of air, economizing effect, thermal lag of the structure, specific characteristic of heat energy consumption

Жилые массивы, состоящие во многих городах России из домов, построенных в 30-х и 40-х годах прошлого века, а также по типовым сериям 60-х годов, и более современных зданий, характеризуются разнообразием планировочных и конструктивных схем.

Взависимости от архитектурно-строительных решений, ориентации, интенсивности нестационарных воздействий окружающей среды здания, в том числе имеющие одинаковый уровень тепловой защиты, различаются удельной величиной потребления тепловой энергии. На эту величину влияют циклический характер изменений температуры наружного воздуха, ветра различных направлений, уровня солнечной радиации

ине совпадающие по времени процессы нагрева-охлаждения наружной оболочки зданий жилого массива. Последний может быть обеспечен надежной системой автоматического регулирования тепла и состоять из нескольких характерных групп зданий [1]:

1 группа – архитектурно-строительное решение и ориентация зданий позволяют наружным ограждениям активно поглощать и передавать тепло солнечного излучения во внутренние помещения;

2 группа – наружные стены имеют небольшое сопротивление воздухопроницанию, а продольные фасады ориентированы на доминирующий ветер в холодное время года;

3 группа – дома небольшой этажности с длительным сроком эксплуатации; 4 группа – наружные ограждения имеют разную величину тепловой инерции при

одинаковом сопротивлении теплопередаче.

Задача энергосбережения в этих условиях заключается в оценке величины тепловых потоков через наружные ограждения с целью перераспределения возможного избытка тепловой энергии из одних зданий в другие, испытывающие ее дефицит. Такую единую энергетическую систему из нескольких групп зданий по степени масштабности, разнообразию взаимозависимых факторов влияния на расход тепловой энергии можно классифицировать как сложную. Управление многоцелевыми сложными системами рассмотрено в [2].

Впервой группе зданий эффективность использования возобновляемых источников энергии при определении теплопотерь можно оценить с помощью следующего критерия энергосбережения:

где qhvdes – расчетная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, Вт/(м3 oC) [3]; qhvren – та же величина, но с учетом использования возобновляемых источников энергии, Вт/(м3 oC).

Для определения величины qhvren необходимо добавить к правой части формулы по определению qhvdes слагаемое kren, учитывающее применение возобновляемых источников энергии. В качестве них используется тепло солнечной радиации и земляного массива под зданием или в виде насыпи вокруг здания

где khs – удельная теплозащитная характеристика здания, Вт /(м3 oС); kv – удельная вентиляционная характеристика здания, Вт/(м3 oС); βHUC – коэффициент использования тепла; kih – удельная характеристика внутренних теплопоступлений в здание, Вт/(м3 oС); krad – удельная характеристика теплопоступлений в здание от солнечной

АРХИТЕКТУРА

радиации, Вт/(м3 oС); kren – удельная характеристика теплопоступлений в здание от использования возобновляемых источников энергии, Вт/(м3 oС).

Применение возобновляемых источников энергии природной среды может принести наибольший эффект в проектном решении малоэтажного дома. Такие объемнопланировочные решения, повышающие тепловую эффективность многоэтажного здания, как увеличение этажности, ширины или длины корпуса, малоэффективны при разработке проекта одно-двухсемейного или блокированного дома с небольшим количеством квартир, который из функциональных соображений должен иметь относительно небольшие строительные объемы. С точки зрения компактности формы и теплопотерь малоэтажное здание, по сравнению с многоэтажным, имеет менее выгодный коэффициент компактности формы, характеризующий отношение площади наружных ограждающих конструкций к отапливаемому объему. Это приводит к значительному увеличению значения qhvdes в зданиях малого объема строительства. В таких зданиях тепловая нагрузка традиционной системы отопления Qh относительно невелика, и поэтому доля f тепла от возобновляемых источников энергии в общей величине Qh будет значительно больше, чем в многоэтажном здании.

Результаты исследований по использованию тепла солнечного излучения с помощью упрощенной конструкции плоского коллектора с воздушным теплоносителем (ПСК) приведены в [4]. При использовании ПСК формула (2) приобретает вид:

где kfsc – удельная характеристика теплопоступлений в здание от плоского солнечного коллектора, Вт/( м3 oС).

Эффективность показателя kfsc в работе [2] показана в виде доли f, %, от тепловой нагрузки здания в отопительный период. При общей площади модулей, равной 25 и

50 м2, на южном фасаде жилого дома (Sобщ = 120 м2) величина f по методу [5] составляет для климатических условий центральных регионов Российской Федерации

6,4 и 12,5 % соответственно. Для малоэтажного и многоэтажного зданий с тепловой нагрузкой 68 и 1057 КДж показатель f может составить соответственно 15 и 3,5 %.

Впервой группе городской застройки могут быть здания с подземным этажом (подвалом). В эту часть здания можно перенести с надземных этажей ряд таких подсобных помещений, которые получат достаточный обогрев от тепла, поступающего со стороны земляного массива и цокольного перекрытия. Это позволит на стадии проектирования уменьшить площадь обогрева надземной части здания и его тепловую потребность.

Для надземной части обычного (не энергоактивного) здания наружные ограждающие конструкции в отопительный сезон являются теплопередающими поверхностями, тогда как для подземной части они воспринимают тепло земляного массива.

Анализ особенностей формообразования здания и поступления тепловых потоков в

его подземные помещения позволил установить, что, в отличие от надземной части дома, снижение коэффициента компактности подземного пространства Kus является

неблагоприятным фактором, влияющим на его тепловую эффективность, то есть Kus = 1/ K (где K= Ses / Vот; Ses – общая площадь наружных ограждающих конструкций, м2; Vот – отапливаемый объем здания или помещения, м3) [4].

Наружные ограждающие конструкции во второй группе зданий имеют повышенную воздухопроницаемость, что, как известно, в условиях сильного температурноветрового напора может на 50-80 % увеличить их теплопотери.

Вработе [6] предложены уравнение и метод определения теплопотерь через наружные ограждающие конструкции с учетом инфильтрации для группы однотипных

зданий, расположенных в разных местах городской территории. Потери тепла Qm для одного здания были представлены как

Последнее слагаемое в уравнении (4) учитывает тепловые потери здания при инфильтрации.

ARCHITECTURE

Для группы аналогичных зданий предложено усредненное значение коэффициента f1 , учитывающее фактическое изменение объемов воздуха,

где Vi – строительный объем соответствующего здания в группе, м3. Результаты расчетов показали, что разница в теплопотреблении аналогичных зданий, обусловленная в первую очередь инфильтрацией воздуха, составляет до 50 % при равных температурных условиях наружного воздуха.

Однако этот метод не учитывает тот факт, что некоторые здания этой группы могут иметь наружные стены, выполненные из пористых материалов с пониженным сопротивлением воздухопроницанию. Когда инфильтрующийся воздух проникает через поровое пространство таких стен в процессе противоточного движения теплого воздуха из помещения, может возникнуть экономайзерный эффект. Это обеспечивает уменьшение не только необходимого объема вентиляционного воздуха через приточные отверстия, но и количества тепловой энергии, затрачиваемой на его нагрев в пространстве помещения.

При выполнении расчетов использовались уравнения для определения значения температуры τint и теплового потока qint на внутренней поверхности наружной стены при инфильтрации

Расчеты показали, что для помещения площадью 12 м2 примерный эффект экономии тепла при инфильтрации воздуха через стену может достигать значений от 3,4 % для 2-этажного дома до 10,3 % для 12-этажного [7].

Отличительная особенность группы домов небольшой этажности с большим сроком эксплуатации, как показали результаты натурных обследований, – невысокий уровень тепловой защиты наружной оболочки, особенно в тех зданиях, которые имеют насыпные утеплители на чердачных перекрытиях из деревянных сборнобалочных элементов.

Расчет эксфильтрации теплого воздуха по уравнению (7) показал, что через такие перекрытия величина тепловых потерь может быть в 3,5 раза больше той, которая определяется по стандартной методике в отсутствие эксфильтрации [8].

В четвертой группе зданий наружные ограждающие конструкции имеют разную величину тепловой инерции D, определяемую по формуле

Результаты исследования влияния показателя D на тепловые потери зданий в периоды резких похолоданий представлены в работе [9]. На примере отдельных конструктивных решений наружных стен показано, что с увеличением D в пределах 0,7...2,4 максимальные тепловые потери через эти конструкции с равной величиной сопротивления теплопередаче уменьшаются в 1,3 раза.

Особенность теплопотребления зданий этой группы с начала периода резкого похолодания состоит в том, что чем меньше при прочих равных условиях величина D их наружных ограждений, тем раньше у них возникнет потребность в дополнительном тепле для поддержания требуемого теплового режима помещений. При наличии автоматически регулируемой системы отопления этой группы зданий городской застройки в целях энергосбережения важно соблюдать алгоритм перераспределения тепла между зданиями, имеющими наружные ограждения с разной тепловой инер-

АРХИТЕКТУРА

цией. При этом учитывается сдвиг по времени zpn максимальных теплопотерь через данные конструкции у N-го здания по формуле Богословского В.Н.

где z p n – число дней с резким похолоданием.

В формуле (2) влияние энергосберегающих решений на удельные теплозащитные и вентиляционные характеристики здания можно учесть с помощью поправочных коэффициентов fi:

где fэ – коэффициент, учитывающий влияние экономайзерного эффекта; fтз – коэффициент, учитывающий влияние компактности подземного помещения.

Эффект от использования энергосберегающих мероприятий для одного здания можно оценить по отношению, аналогичному формуле (1):

где qhvdes – определяется по формуле (2) без слагаемого kren; qhven – расчетная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания с учетом использованных энергосберегающих решений, Вт/(м3 oC);

Выводы

1.Добавление в состав уравнения для расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания нового показателя по учету влияния возобновляемых источников энергии позволяет снизить тепловую потребность здания. Так, доля тепла, подаваемого упрощенной конструкцией плоского

коллектора с воздушным теплоносителем от тепловой нагрузки небольшого здания за отопительный период, может составить 6...12,5 % при площади его модулей 25 и 50 м2 соответственно.

2.В методе по расчету влияния инфильтрации воздуха на тепловую потребность зданий желательно учитывать экономайзерный эффект, который возникает в наруж-

ных стенах, имеющих пониженное сопротивление воздухопроницанию. Экономия тепла при этом для помещения площадью 12 м2 может достигать значений 3,4 % и 10,3 % для 2- и 12-этажных зданий соответственно.

3.Для группы домов старой застройки, имеющих чердачные перекрытия с небольшим сопротивлением воздухопроницанию, расчет тепловых потоков необходимо делать с учетом эксфильтрации воздуха. Через такие перекрытия величина тепловых потерь может быть в 3,5 раза больше той, которая определяется по стандартной методике в отсутствие эксфильтрации.

4.В группе домов с наружными ограждениями, имеющими одинаковое сопротивление теплопередаче, теплопотери через эти конструкции при наступлении резкого похолодания оказываются тем больше, чем меньше их тепловая инерция D (например,

сувеличением D в пределах 0,7...2,4 максимальные тепловые потери через эти конструкции уменьшаются в 1,3 раза).

5.Перераспределение избытка тепловой энергии из зданий одной группы в здания другой, испытывающие ее дефицит, возможно при наличии автоматически регулируемой системы теплоснабжения городской застройки.

ARCHITECTURE

Список литературы

1.Береговой, А.М. Показатели эффективности в системном анализе теплопотерь через энергосберегающие наружные ограждения / А.М. Береговой, О.Л. Викторова, В.А. Береговой //Известия Вузов. Строительство. – 2009. – № 5 (605). – С. 57–61.

2.Budylina, E. Control of multiobjective complex systems / E. Budylina, A. Danilov, I. Garkina. – 2015. – №8 (9–12). – P. 441–445.

3.СП 50.13330.2012. Свод правил. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23–02–2003 (с изменением №1 от 14.12.2018). – М.: НИИСФ РААСН, 2012. – 95 с.

4.Береговой, А.М. Энергоэкономичные и энергоактивные здания в архитектурностроительном проектировании / А.М. Береговой, А.В. Гречишкин, В.А. Береговой. – 3-е изд., перераб. и доп. – Пенза: ПГУАС, 2012. – 200 с.

5.Бэкман, У. Расчет систем солнечного теплоснабжения: пер. с англ. / У. Бэкман, С. Клейн, Дж. Дафф. – М.: Энергоиздат, 1982. – 80 с.

6.Левчев, А.П. Способ установления нормативов расхода тепла для зданий / А.П. Левчев, Б.М. Гришин, А.М. Береговой, В.В. Салмин // International Journal of Applied Research. – 2016. – Vol. 11, № 17. – Р. 9154–9158.

7.Береговой, А.М. Строительные материалы и наружные ограждающие конструкции зданий повышенной тепловой эффективности / А.М. Береговой, В.А. Береговой, А.В. Мальцев, А.В. Гречишкин, М.А. Дерина.– Пенза: ПГУАС, 2014.– 180 с.

8.Береговой, А.М. Оценка тепловых потерь при эксфильтрации воздуха через пористую структуру материала ограждения / А.М. Береговой, М.А. Дерина, В.А. Береговой, А.В. Мальцев// Региональная архитектура и строительство. – 2014. – №2. – С. 79–83.

9.Береговой, А.М. Моделирование теплоустойчивости наружных ограждений для оценки тепловых потерь здания и микроклимата его помещений / А.М. Береговой, М.А. Дерина // Моделирование и механика конструкций. – 2016. – №3. – С.16.

References

1.Beregovoy, A.M. Performance indicators in the system analysis of the heat losses through the exterior enclosure structures / A.M. Beregovoy, O.L. Viktorova, V.A. Beregovoy // News of higher educational institutions. – 2009. – No. 5 (605). – P. 57–61.

2.Budylina, E. Control of multiobjective complex systems / E. Budylina, A. Danilov, I. Garkina. – 2015. – №8 (9–12). – P. 441–445.

3.SP 50.13330.2012. Thermal protection of buildings. Actualized edition of SNiP 23-02-2003 (with change №1 from 14.12.2018). – M.: NIISF RAASN, 2012. – 95 p.

4.Beregovoy, A.M. Energy efficient and energy active buildings in architecture and building engineering / A.M. Beregovoy, A.V. Grechishkin, V.A. Beregovoy. – 3-e edition, revised and enlarged. – Penza: State University of Architecture and Construction, 2012. – 200 p.

5.Beckman, W. Calculation of solar heating systems / W. Beckman, S. Klein, J. Duffy. – M.: Energ, 1982. – 80 р.

6.Levtsev, A.P. The method of setting of heat consumption standard for buildings / A.P. Levtsev, B.M. Grishin, A.M. Beregovoy, V.V. Salmin // International Journal of Applied Research. – 2016. – Vol. 11, № 17. – Р. 9154–9158.

7.Beregovoy, A.M. Building materials and external enclosing structures of buildings with increased thermal efficiency / A.M. Beregovoy, V.A. Beregovoy, A.V. Maltsev, A.V. Grechishkin, M.A. Derinа. – Penza: PGUAS, 2014. – 180 p.

8.Beregovoy, A.M. Evaluation of heat losses during exfiltration of air through the porous structure of the material of enclosure structure / A.M. Beregovoy, M.A. Derina, B.A. Beregovoy, A.V. Maltsev // Regional architecture and engineering. – 2014. – №2. – Р. 79–83.

9.Beregovoy, A.M. Simulation of heat resistance of external enclosure structures to assess the heat loss of the building and the microclimate of its rooms / AMBeregovoy, M.A.Derina // Modeling and mechanics of structures. – 2016. – №3. – Р.16.

ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ