Об энергетическом потреблении зданий в отопительный период

Актуальность проблемы энергосбережения на данный момент не может вызывать сомнений. Многие ученые по всему миру пытаются решить теоретические и практические вопросы в области защиты окружающей среды, сокращения потребления энергии и повышения энергетической эффективности. Эти вопросы поднимаются на самом высоком уровне, вплоть до международных договоров и конвенций.

Строительство, как одна из самых энергоемких отраслей не может оставаться в стороне от рассматриваемых вопросов. В Российской Федерации, как и во многих других странах, постепенно повышается минимальный разрешенный класс энергетической эффективности возводимых зданий. На сегодняшний день это класс B. Данная тенденция обеспечивает снижение потребления всей энергии: электрической и тепловой. При этом применяются самые передовые подходы и достижения современной науки. В основу обеспечения энергетической эффективности положен аспект создания термически непроницаемой оболочки здания.

В связи с этим, для того чтобы обеспечить максимальную энергетическую эффективность, важно сделать правильный выбор конструктивных решений ограждений.

В данной статье предлагается оценка результатов натурных испытаний, проведенных с целью исследования поведения зданий с различными видами широко распространенных в России энергетически эффективных ограждающих конструкций [1] за два года эксплуатации. В первую очередь рассматривались их теплозащитные характеристики, а также были разработаны рекомендации по выбору конструктивных решений зданий. Ранее коллективом исследователей уже была опубликована подобная работа [2], но результаты ее можно считать скорее оценочными и предварительными, так как анализ проводился после одного года натурных наблюдений.

Исследование проводится на полигоне, состоящем из шести натурных испытательных стендов с различным конструктивным решением ограждающих конструкций. Для сравнения были приняты наиболее часто применяемые ограждающие конструкции при строительстве малоэтажных жилых и общественных зданий на территории Тамбовской области в частности, и России в целом. Стенды представляют собой модели домов с бесчердачным покрытием, спроектированных так, что тепловые потери происходят преимущественно через стены.

В данной статье сравниваются два варианта моделей домов из газобетона (газосиликатных блоков марки Д400):

тип 1.1 — модель малоэтажного дома со стенами из системы фасадной теплоизоляционной композитной (СФТК), где в качестве утеплителя применена теплоизоляция из экструзионного пенополистирола (ХPS);

тип 1.2 — модель малоэтажного дома со стенами из навесных вентилируемых фасадов (НВФ), где в качестве утеплителя использована минеральная вата.

Подробнее о методике проведения натурных исследований рассказано в работах [1, 2].

Рисунок 1 – Ограждающие конструкции стен натурных испытательных стендов: 1 – газосиликатный блок марки Д400; 2 – XPS; 3 – штукатурная фасадная система; 4 – минераловатный утеплитель; 5 – система крепления вентилируемого фасада; 6 – керамогранит; 7 – воздушный зазор В период с октября по март включительно проводились ежедневные замеры температуры наружного воздуха, воздуха внутри испытательных стендов и температуры внутри ограждающих конструкций на различной глубине вблизи внутренней и внешней границы основного теплоизоляционного слоя. В теле конструкции измерения проводились в различных характерных точках вблизи пола, потолка, углов и на удалении от них.

В результате наблюдений получены значения потребления энергии на отопление рассматриваемых объектов. В таблице 1 приведены данные ежемесячного потребления тепла для испытательных стендов.

Таблица 1. Сводные данные по потреблению энергии на отопление испытательных стендов типа 1.1 и 1.2 за период с 2017 по 2019 год

Таблица 1 Сводные данные по потреблению энергии на отопление испытательных стендов типа 1.1 и 1.2 за период с 2017 по 2019 год

Как видно из таблицы, распределение потребления энергии по месяцам и относительная энергетическая эффективность принятых к рассмотрению конструктивных решений год от года сохраняется, что говорит о хорошей сходимости результатов и качестве проведения измерений. Заметно некоторое ухудшение показателей на стенде типа 1.2, подтверждающее увеличение теплопроводности минеральной ваты в ходе эксплуатации здания.

На рисунке 2 приведен сравнительный анализ в кВт•ч энергопотребления испытательных стендов типа 1.1, 1.2. Отапливаемая площадь стендов — 6,76 м², отапливаемый объем — 16,39 м³, площадь фасада — 25,17 м².

Рисунок 2 – Энергопотребление экспериментальных домов типа 1.1 и 1.2 по итогам отопительных периодов 2017-2018 гг. и 2018-2019 гг.

Анализируя полученные данные, можно отметить снижение энергетической эффективности от типа 1.1 к типу 1.2. Это различие не может быть объяснено разницей величин термического сопротивления ограждающих конструкций. Конструкции подобраны таким образом, чтобы эти значения были максимально близки друг другу. Полученные закономерности скорее отражают влияние термической неоднородности ограждений, которая существенно возрастает в том же направлении, что и энергопотребление. Можно сделать вывод, что коэффициенты термической неоднородности, входящие в состав уравнений при определении термического сопротивления конструкции, не в полной мере отражают реально складывающуюся картину.

Для оценки экономических показателей принятых конструктивных решений ограждающих конструкций стен был проведен анализ затрат на материалы и монтаж фасадных систем и конструкций, а также затраты на отопление экспериментальных домов за два отопительных периода с 2017 по 2019 год.

Таблица 2 Технико-экономические показатели ограждающих конструкций с различными фасадными решениями (испытательные стенды типов 1.1 и 1.2)

Для удобства пересчитаем полученные затраты на устройство фасада и отопления на двухэтажный дом общей площадью 140 м² (каждый этаж по 70 м², высота 2,4 м аналогична высоте испытательного стенда) и площадью утепляемого фасада 168 м².

Обращаем внимание, что площадь по полу увеличилась в 20,7 раз, а площадь фасада — в 6,67 раз.

Технико-экономические показатели ограждающих конструкций с системами фасадными теплоизоляционными композиционными (СФТК) и навесными вентилируемыми фасадами (НВФ), экспериментальные дома типов 1.1 и 1.2 сведены в таблицу 3. Тариф на электроэнергию принимался равным 2,91 руб./кВт⋅ч, для г. Тамбова (одноставочный тариф).

Таблица 3 Сводные экономические показатели экспериментальных домов за два отопительных периода, дома типа 1.1 и 1.2

Рисунок 3 – Сводные экономические показатели экспериментальных домов за два отопительных периода

Таким образом, выполненный анализ показывает, что из рассматриваемых решений объект строительства с СФТК (XPS) по сравнению с НВФ отличается минимальными затратами на монтаж, эксплуатацию и отопление здания. 

В целом при проектировании зданий с высокими классами энергетической эффективности рекомендуется использовать конструкции с СФТК и плитами XPS, как обеспечивающие максимальную теплотехническую однородность. Следует ответственно подходить к назначению коэффициентов теплотехнической неоднородности. Применение ограждений с теплоизоляционным слоем из экструзионного пенополистирола приводит к существенному снижению затрат на отопление, а также на эксплуатацию объекта в целом за счет большего прочностного ресурса и долговечности материала [3]. Уточнение этих показателей может стать еще одной задачей при продолжении данных исследований.

Литература

1. К вопросу оценки энергетической эффективности ограждающих конструкций малоэтажных зданий / Ярцев В.П., Мамонтов А.А., Струлев С.А. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2019. № 1-2 (240-241). С. 24-27.
2. Анализ экономической целесообразности применения различных ограждающих конструкций зданий / Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов А.А., Струлева И.А., Жеребцов А.В., Попинако Е.О. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2018. № 7-8 (234-235). С. 24-27.
3. Оценка экономической эффективности применения утеплителей в ограждающих конструкциях каркасно-щитовых зданий / Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов А.А. // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2015. № 1 (37). С. 12.