Теплопередача и оконные заполнители

ТЕПЛООБМЕН В СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

1.1. Анализ существующего положения

Одним из важных аспектов проектирования и строительства является ос­текление зданий и сооружений. Практика эксплуатации зданий свидетельству­ет о том, что потери тепла через остекление весьма значительны, а недоста­точная теплоизоляция ведет к большим затратам тепловой энергии.

Минстрой Российской Федерации постановлением № 18-81 от 11 августа 1995 г. ввел в действие с 1 сентября 1995 г. изменения N 3 к СНиП II—3—79* “Строительная теплотехника”, обеспечивающие существенное увеличение уровня теплозащиты зданий. Разработанные нормативы обеспечивают по­этапное (с 1996 по 2000 гг.) снижение на 20 и 40% уровня энергопотребления на отопление зданий по сравнению с существующими нормативами. В основу подхода по назначению новых нормативов положены теоретические разра­ботки О. Фангера и И. Р. Богословского в части теории комфорта помещений зданий и Ю. А. Табунщикова в части теории рассмотрения здания, как единой энергетической системы. Такой подход соответствует современной направ­ленности работ зарубежных специалистов в области стандартизации теплоза­щиты зданий.

По данным 1992 г. в России [52] было израсходовано около 364 млн. тонн условного топлива (у. т.) тепловой энергии, из которых жилищно - коммунальное хозяйство израсходовало 32%, промышленность - 54%, сель­ское хозяйство - 3% и 11% израсходовали сельские здания. Для сравнения в западных странах на энергопотребление зданий расходуется 20-22% тепловой энергии. Эти цифры доказывают необходимость структурного изменения по­требления тепловой энергии и актуальность мероприятий по теплосбереже - нию в зданиях.

Анализ существующего положения в строительном секторе дал следую­щие результаты [52]. Вновь построенные жилые здания в средней полосе Рос­сии расходуют на нужды отопления: многоквартирные от 350 до 600

л 2

кВт'ч/(м год); односемейные от 600 до 800 кВт-ч/(м год). В целом по России расход на отопление и горячее водоснабжение составляют 74 кг у. т./(м2год). Для сравнения: здания в ФРГ расходуют 260 кВт-ч/(м год), в Швеции и Фин­ляндии - 135 кВт ч/(м2год). Или, если сравнить по расходу условного топлива, то ФРГ - 34 кг у. т./(м2год), Швеции - 18 кг у. т./(м2год). Очевидно, что и по этим показателям в России имеет место существенное превышение расхода топлива.

Следует отметить, что с 1986 по 1995 гт. нормативы в нашей стране не менялись, в то время как западные страны меняли свои нормативы за этот пе­риод несколько раз в сторону ужесточения требований. Согласно новым нор­мам предлагается при выборе уровня теплозащиты руководствоваться: поэле­ментным нормированием различных видов ограждающих конструкций и сис­темным нормированием здания в целом или его отдельных замкнутых объе­мов. При проектировании здания в соответствии с новыми нормативами по­элементное нормирование обеспечивает минимальные требования к теплоза­щите отдельных элементов ограждающих конструкций, а системное нормиро­вание ведет к принятию более высоких требований для отдельных элементов, чем минимальные, с целью удовлетворить требования по энергопотреблению. Также применяется интегральный подход, определяющий расход энергии на 1 м2 площади или 1 м3 объема здания.

Исходя из условий по ограничению энергопотребления зданий, в основу изменений положены фиксированные величины удельных энегрозатрат на отопление зданий в отопительный период, приходящиеся на 1 м2 отопитель­ной площади и одни градусо-сутки, которые нормируют теплозащитные свойства отдельных элементов ограждающих конструкций здания.

Главное внимание при проектировании объектов строительного комплек­са следует уделить их эксплуатационным характеристикам. Задача состоит в том, чтобы, не снижая качественных показателей и уровня современных строительных стандартов, минимизировать потери энергии посредством по­вышения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и кпд

энергопотребляющего оборудования и приборов.

В мировой строительной практике вопросы усиления теплоизоляции окон вставали неоднократно. В условиях острого энергетического кризиса во мно­гих странах были приняты чрезвычайные федеральные программы, позво­лившие в течение 3-5 лет резко снизить относительное потребление энергии в строительстве [8]. Параллельно с разработкой чисто технических проблем в области энергосбережения за рубежом за первые 3-5 лет был решен ряд зако­нодательных вопросов: разработаны меры стимулирования энергопроизводи­телей и лиц, вкладывающих средства в энергосбережение, подготовлена нор­мативная база для широкомасштабного внедрения новейших разработок.

При сравнении Изменений № 4 и № 3 СНиП видно, что южные регионы России получили незначительное ослабление требований по приведенному сопротивлению теплопередаче [102]. Это можно считать обоснованной пози­цией, так как рекомендуемый норматив Изменения № 3 превышал европей­ские нормативы, ограничивая применение окон с двойным остеклением в этих регионах России. Сложнее обстоит вопрос с северной строительной зоной (8000-12000 градусо-суток отопительного периода). Здесь, несмотря на по­вышение норматива приведенного сопротивления теплопередаче примерно на 30%, установленные показатели отстают от показателей наиболее энергоэф­фективных конструкций северных зарубежных стран. Однако, это обусловле­но тем, что мировая строительная практика подсказывает решение этого во­проса только за счет применения дорогостоящих конструкций окон, к тому же не прошедших серьезных испытаний на долговечность герметиков и теплоот­ражающих покрытий стекол в условиях сурового климата севера России.

Для того, чтобы наметить пути снижения расхода тепла на отопление жи­лых и общественных зданий, рассмотрим структуру потерь тепла через от­дельные виды ограждающих конструкций [50] (таблица 1.1).

Приведенные в таблице данные получены на основе анализа потерь тепла по типовым проектам зданий. По конкретным проектам, в зависимости от функционального назначения здания, его этажности и остекления, а также от расчетной разности температур внутреннего и наружного воздуха, показатели могут отличаться от приведенных. Так, при расчетной разности температур 60°С удельный вес потерь тепла через окна и балконные двери может дости­гать 30% и более, а потери тепла за счет инфильтрации воздуха более 35%.

Таблица 1.1

На рис. 1.1 показано соотношение теплопотерь через ограждающие кон­струкции помещений средних этажей панельных зданий по результатам ис­следований в Санкт-Петербурге пятиэтажных домов серии 1-335 постройки 60-х годов [91]. Наибольшие теплопотери происходят через окна и особенно за счет инфильтрации воздуха через них. Эти теплопотери составляют от 50 до 80% от общих теплопотерь через наружные ограждения. При дополнительном утеплении только наружных стен, даже при увеличении термического сопро­тивления конструкций в 2-3 раза, теплопотери помещения все же превышают нормативные за счет больших теплопотерь через оконные проемы. Замена окон, при условии обеспечения нормативной для жилых помещений инфильт­рации, даже без утепления наружных стен, дает существенный эффект в эко­номии расходов тепла и улучшает условия теплового комфорта в помещениях. При этом стоимость замены окон, в расчете на 1 м2 площади, значительно ни­же стоимости дополнительной теплозащиты наружных стен.

Таким образом, наиболее слабым местом и основным источником тепло­потерь в здании являются окна. Для условий г. Томска сопротивление тепло­передаче окон должно быть не менее 0,64 м2-°С/Вт [88], что не обеспечивается даже окнами с тройным остеклением [17]. В нарушении СНиП, в Томске при­меняются окна с двойным остеклением по ГОСТ 11214-86 [16] с сопротивле­ние теплопередаче 0,44 м2*°С/Вт. Нормативная воздухопроницаемость окон и

(Р

В

в

Рис. I. I. Соотношение теплопотерь через ограждающие конструкции (стены и окна) в помещениях (А - рядовая комната, В - угловая комната) нанельных зданий

1 - при соблюдении норм действующего СНиП II—3—79*

2 - при эксплуатации построенных в 60-70 гг. зданий

3 - при соблюдении требований Постановления Минстроя РФ от 11.08.95 (1-й этап)

балконным дверей равна 6 кг/(м ч) для окон в деревянных переплетах и 5

'j

кг/(м ч) для окон в пластмассовых переплетах, а фактическая в 3-4 раза выше, поскольку окна и двери поставляются без уплотнителей в притворах. Для снижения теплопотребления в гражданских зданиях наиболее перспективны­ми являются окна, оборудованные теплоэффективными стеклами и герметич­ными притворами.

Россия обладает 25% мировых запасов леса, поэтому дерево самый рас­пространенный материал для производства окон в нашей стране. Дерево обла­дает высокими теплозащитными и прочностными свойствами, легко обраба­тывается, удовлетворяет экологическим и санитарным требованиям. Для мас­сового строительства во многих регионах России применялись и применяются деревянные окна. Производство этих окон необходимо совершенствовать, за­менив пенополиуретановые прокладки на резиновые, улучшив фурнитуру и качество обработки древесины.

Окна из пластика по сравнению с типовыми деревянными окнами имеют ряд преимуществ: пластиковые окна менее деформируемы с течением време­ни, в квартирах ликвидируются сквозняки, становится теплее и тише. Однако, новые окна из ПВХ имеют недостаток, заключающийся в том, что эти окна резко уменьшают воздухообмен в помещении, что в условиях обычной обще­обменной естественной вентиляции приводит к повышению влажности, а ино­гда служит причиной образования конденсата на окнах, особенно тогда, когда устанавливают слишком широкие подоконники, выступающие внутрь поме­щения и закрывающие отопительные элементы, перекрывая тем самым доступ теплого воздуха от батареи к окну, что приводит к охлаждению внутреннего стекла и его запотеванию [104]. Деревянные окна обеспечивают необходимый уровень вентиляции помещений даже при закрытой форточке, однако, из-за неконтролируемого воздухообмена они имеют повышенные теплопотери на инфильтрацию наружного воздуха.

Политику нормирования характеристик окон нельзя строить, увеличивая только уровень теплозащиты, так как локальный коэффициент экономии топ­лива достигается за счет проигрыша других параметров, в частности светотех­

нических, и в конце концов может привести не к экономии, а к перерасходу топлива [79]. Требуемое сопротивление теплопередаче окон следует опреде­лять как экономически оптимальное, исходя из соотношения стоимости окон, эксплуатационных расходов по содержанию конструкций и затрат на отопле­ние помещений, т. е. на основе оптимизации приведенных затрат.