Проблемы учета специфики климата Сибири при проектировании зданий

В. И. Костин, доктор техн. наук, профессор НГАСУ (Сибстрин), научный консультант НП «АВОК Сибирь»;

А. И. Мухин, канд. техн. наук, доцент, исполнительный директор НП «АВОК Сибирь»;

О. В. Разумейко, генеральный директор ЗАО «Кей Си Групп», председатель Координационного совета НП «АВОК Сибирь»

Задача создания зданий, отвечающих требованиям ХХI века, не может быть решена без тщательного учета климатических особенностей района строительства. Для Российской Федерации с ее огромной территорией характерны существенные отличия климатических условий. Вместе с тем, строительные нормы, в частности [1, 2], не всегда в полной мере учитывают эту специфику.

Проиллюстрируем это следующими примерами.

1. Нормирование теплозащитных свойств ограждающих конструкций

Один из основных теплотехнических показателей – приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций – нормируется [1] в зависимости от вида зданий и значения градусо-суток отопительного периода (ГСОП) района строительства. Если принять приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций равным нормируемым значениям, то нетрудно убедиться в том, что для здания одного и того же назначения и с одними и теми же объемно-планировочными решениями расчетные тепловые потери будут практически одинаковыми вне зависимости от климатических условий. Однако общие теплопотери здания за отопительный период, вычисленные на основании [1], при этом в разных районах будут отличаться. Особенно существенными эти отличия становятся в случае производственных зданий, имеющих по сравнению с жилыми и общественными значительно более высокую (до 40 %) степень остекления. В табл. 1 представлены результаты расчетов относительного увеличения общих тепловых потерь за отопительный период одного и того же производственного здания в разных климатических условиях. Вариант расположения здания в Москве выбран в качестве базы для сравнения, расчетная средняя температура внутреннего воздуха принималась 16 °С.

Требующие компенсации повышенные тепловые потери производственных зданий в районах с суровым климатом, в конечном итоге, приводят к увеличению себестоимости продукции, выпускаемой в этих районах, что делает экономически невыгодным как развитие производства, так и строительство самих предприятий. Какой путь следует избрать для решения указанной проблемы?

На наш взгляд, для снижения тепловых потерь, прежде всего, следует обратить внимание на нормирование тепловой защиты зданий. Безусловно, вести речь о дополнительном увеличении сопротивления теплопередаче массивных ограждающих конструкций (стен, покрытий и перекрытий) нецелесообразно. Вместе с тем, подход к нормированию тепловой защиты окон и балконных дверей требует корректировки. Дело в том, что в соответствии с [1] нормируемые значения сопротивления теплопередаче этих элементов ограждающих конструкций для производственных зданий Rⁿ_req не просто ниже, чем для жилых и общественных зданий R^ж_req, но и имеют существенно меньший темп приращения при увеличении градусо-суток. Это наглядно иллюстрируют рис. 1, 2.

Рисунок 1. Соотношение нормируемых значений сопротивления теплопередаче окон для производственных Rnreq и жилых Rжreq зданий

Рисунок 2. Относительное увеличение нормируемых значений сопротивления теплопередаче окон в зависимости от ГСОП района строительства

Из данных, представленных в рис. 1, видно, что минимальные значения отношения Rⁿ_req / R^ж_req соответствуют районам строительства с ГСОП от 5 000 до 8 000, т. е. районам Урала и Сибири, которые являются важными промыш-ленными зонами страны. Как показывают расчеты, доведение нормируемых значений Rⁿ_req до уровня R^ж_req приводит к сокращению величины тепловых потерь через световые проемы на 35–40 %. Несмотря на то что доля тепловых потерь через светопрозрачные конструкции различна в случаях одно- и многоэтажных промзданий, она в любом случае составляет более 50 % в общих тепловых потерях через наружные ограждения. Следовательно, реализация предложения по увеличению нормируемых значений Rⁿ_req, которая, кстати, распространяется и на светопрозрачные фонари, позволит сократить общие тепловые потери производственных зданий за отопительный период как минимум на 25 %.

Второй путь, ведущий к снижению тепловых потерь производственными зданиями, связан с определенным пересмотром нормирования воздухопроницаемости ограждающих конструкций. Согласно действующим СНиП, нормируемое сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций R^req_inf зависит от их нормируемой воздухопроницаемости, температуры наружного а воздуха и максимальной скорости ветра в расчетных условиях. Причем, если температура воздуха и скорость ветра изменяются в зависимости от района строительства, то нормируемая воздухопроницаемость ограждений задана в [1] как постоянная величина, равная, в частности, для окон производственных зданий 8. Поэтому, несмотря на то что значения R^req_inf различаются в разных районах строительства (табл. 2), удельный расход инфильтрующегося воздуха для однотипного здания может оказаться абсолютно одинаковым (при фактическом сопротивлении воздухопроницанию окон, равном нормируемому, расход воздуха составит 8 кг/(м² • ч)). Совершенно очевидно, что при этом из-за существенной разницы перепада температур внутреннего и наружного воздуха в разных районах строительства будут значительно отличаться затраты тепловой энергии на нагревание инфильтрующегося воздуха. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что на величину R^req_inf в большей степени оказывает влияние не расчетная температура наружного воздуха, а скорость ветра: наибольшее значение R^req_inf в табл. 2 получено для Махачкалы, где самая высокая расчетная температура.

Таблица 1 (подробнее) Относительное увеличение общих тепловых потерь производственного здания за отопительный период для разных районов строительства

Таблица 2 (подробнее) Нормируемое сопротивление воздухопроницанию окон производственных зданий (высота здания 15 м, температура внутреннего воздуха 16 °С)

Таким образом, принятый в [1] подход к нормированию воздухопроницаемости трудно оценить однозначно. Поэтому, по нашему мнению, вопрос о критериях нормирования значений R^req_inf требует дальнейшей проработки и за основу при его решении следует брать не объем инфильтрующегося воздуха, а энергозатраты на его нагрев. Несомненно, что увеличение значений R^req_inf для светопрозрачных конструкций зданий любого назначения с механической вентиляцией позволит существенно сократить расходы на отопление.

2. Проверка ограждающих конструкций на конденсацию влаги

Как известно, одной из причин разрушения зданий является конденсация влаги на поверхности стен и ее накопление в толще конструкций. Поэтому грамотный выбор тепловой защиты зданий влияет не только на эксплуатационные энергозатраты, но и на сохранность самих ограждающих конструкций, особенно в случае помещений с повышенной влажностью.

В соответствии с указаниями [1] проверку ограждающих конструкций на конденсацию влаги следует производить при температуре наружного воздуха t_ext, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92. Однако при характерных для Сибири расчетных температурах (порядка –40 °С) абсолютное влагосодержание наружного воздуха d_ext составляет величину около 0,2 г/кг. В то же время, как видно из данных, представленных в табл. 3, составленной на основе анализа материалов «Справочника по климату СССР», при значениях температур t_ext, близких к 0 °С, влагосодержание воздуха возрастает в 10 и более раз.

Рассмотрим, какое влияние это обстоятельство может оказывать на конденсацию влаги на внутренней поверхности ограждающих конструкций. В табл. 4 приведены результаты наших расчетов влажностного режима помещения в производственном здании, расположенном в г. Новосибирске. При расчетной температуре наружного воздуха t_ext = –39 °С задавались четыре варианта относительной влажности воздуха в помещении j_int: 50, 55, 60 и 65 %. Для температуры наружного воздуха t_ext = 0 °С значения относительной влажности воздуха в помещении j_int были рассчитаны (варианты 5–8). Для всех вариантов определялись влагосодержание внутреннего воздуха d_int, температура точки росы t_d и температура на внутренней поверхности перекрытия t₀.

Из табл. 4 видно, что в нерасчетных условиях во всех четырех вариантах относительная влажность j_int превысит допустимую по [2] величину 75 %. Что же касается возможности конденсации влаги на поверхности перекрытия, то в 1–5 вариантах она не произойдет. В 6 и 7 вариантах, для которых значения t_d и t₀ близки, вероятность конденсации существует вследствие неравномерности температурного поля на поверхности перекрытия, обусловленной лучистым теплообменом с окнами и наличием мостиков холода в конструкции. В 8 варианте конденсация влаги произойдет уже в воздухе помещения, т. к. значение t_d равно заданной в примере температуре внутреннего воздуха и больше, чем t₀.

Аналогичная ситуация может наблюдаться и в общественных зданиях с повышенной влажностью (бассейны, аквапарки и т. п.), и в животноводческих комплексах: удовлетворительный влажностный режим и отсутствие конденсации при значениях t_ext порядка –30… –40 °С и повышенная влажность воздуха внутри помещения и конденсация влаги при значениях t_ext близких к 0 °С.

Следовательно, в помещениях с повышенной влажностью необходимо производить поверочные расчеты на возможность конденсации влаги при t_ext = 0 °С. Этот вывод подтверждается результатами натурных обследований и опытом эксплуатации промышленных и животноводческих зданий.

3. Определение числа расчетных режимов работы систем климатизации

В соответствие с нормами [2] расчет систем климатизации производится на три режима: теплый, холодный и переходный, т. е. при трех характерных температурах наружного воздуха. Для условий Сибири разница в расчетных температурах t_ext для холодного и переходного периодов может составлять 50 и более градусов. Можно ли при таком большом температурном диапазоне обеспечить эффективное и экономичное поддержание требуемого микроклимата? Думается, не всегда. Выше уже приводился случай для помещений с повышенной влажностью. Рассмотрим другой пример.

Пусть в помещении имеются стабильные тепловыделения, не компенсирующие, однако, тепловые потери в холодный период. Недостаток теплоты восполняется дополнительным подогревом приточного воздуха, подаваемого сверху в направлении рабочей зоны вертикальными или наклонными струями. Архимедовы силы будут действовать в направлении, противоположном движению приточных струй, и, следовательно, будут вызывать торможение последних. В результате в расчетном режиме подвижность воздуха в рабочей зоне будет соответствовать нормативной, а его температура будет поддерживаться постоянной. С повышением t_ext и уменьшением тепловых потерь система автоматического регулирования будет уменьшать температуру приточного воздуха. Пусть при некотором значении t_ext, например –5 °С, тепловые потери помещения сравняются с тепловыделениями. Тогда, при дальнейшем увеличении температуры t_ext температура приточного воздуха должна стать меньше температуры внутреннего воздуха, а действие архимедовых сил в этом случае совпадет по направлению с инерционными. В результате в некоторой части рабочей зоны (в зонах попадания приточных струй) образуется дискомфортная область пониженных температур и повышенной подвижности воздуха. Очевидно, что для поддержания комфортных условий необходимо при некотором значении t_ext корректировать работу систем климатизации, что означает, что холодный период подразделяется на два режима.

Проблемы учета специфики климатических условий районов с суровым климатом отнюдь не исчерпываются приведенными примерами. Решение этих проблем в рамках общероссийских стандартов, таких как [1, 2], на наш взгляд, невозможно, поскольку существенные климатические различия могут наблюдать даже в пределах одного региона. Примером этого могут служить данные по городам южной части Красноярского края, для которых при почти одинаковых значениях расчетной температуры наружного воздуха климатические условия существенно отличаются по продолжительности стояния штилей. Учет этого фактора необходим при оптимизации воздухопроницаемости конструкций. Аналогичные примеры отличий климатических условий можно найти и в Иркутской области, и в других областях.

На наш взгляд, наиболее полно специфика местного климата может быть учтена в рамках территориальных строительных норм, в которые должны быть включены требования к системам климатизации и теплоснабжения. Создание таких объединенных документов позволит реализовать идею «обратной связи», в соответствии с которой специалисты по системам инженерного обеспечения должны подключаться к проектированию зданий на стадии разработки объемно-планировочных решений и влиять на эти решения [3, 4].

Литература

1. СНиП 23–02–2003. Тепловая защита зданий. – М. : Госстрой России, 2004.

2. СНиП 41–01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М. : Госстрой России, 2004.

3. Костин В. И. Принципы расчета эффективных энергосберегающих систем обеспечения микроклимата промышленных зданий: Автореф. дисс. д-ра техн. наук. – Новосибирск : НГАСУ, 2001.

4. Тарабанов М. Г. Проект и качество – дефицит знаний и мотиваций // АВОК. – 2006. – № 2.

Cтатья предоставлена Некоммерческим Партнерством «АВОК Сибирь» (г. Новосибирск).