Новый подход к оценке энергоэффективности светопрозрачных фасадных конструкций

Сегодня активно изменяется облик российских городов. Не будем углубляться в дискуссию о той или иной архитектурной школе и оценивать целесообразность существующей тенденции. Главное - она есть.
Одним из основных аргументов сторонников запрета строительства зданий «из стекла» является будто бы низкая энергоэффективность ограждающих конструкций, выполненных как светопрозрачные фасады.
Еще пару десятилетий назад, согласно требованиям действующего на тот момент СНиП «Строительная теплотехника», требуемым значением приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен считалось 1 м²-°С/Вт.
Сегодня практически любое вновь возводимое или проектируемое высотное здание так или иначе попа¬дает под классификацию уникального. Поэтому остановимся в данной статье, в первую очередь, на оценке энергоэффективности ограждающих конструкций для современных, высотных и уникальных зданий.
Энергетическая эффективность высотных и уникальных зданий зависит от многих факторов. Архитектурная форма и система тепловой защиты зданий, соответствующие наружному климату, и тепловой комфорт внутри помещений являются одними из важнейших факторов, влияющих на их энергетическую эффективность. СНиП 23-02-2003 устанавливает критерии энергетической эффективности и нормативы, основанные на энергетическом принципе нормирования здания в целом.

В настоящее время существует 3 основных подхода к определению параметров теплозащиты ограждающих конструкций:

• назначение требуемых минимальных значений согласно таб.4 СНиП 23-02-2003;
  
• определение их и корректировка согласно расчетам т. н. «Энергетического паспорта»;
  
• подход, основанный на ограничении минимальных температур внутренних поверхностей конструкций.
  

В нормах содержатся ограничения на площадь остекления светопрозрачных конструкций. В жилой части площадь остекления должна составлять не более 18%, в общественной зоне - до 25%. Если площадь остекления не превышает указанных величин, то при¬веденное сопротивление теплопередаче оконных конструкций должно быть не ниже 0,55 в Москве и 0,51 в СПб. Допускается превышение величин площадей остекления. При этом приведенное сопротивление теплопередаче оконных конструкций должно быть не менее 0,56 м²-°С/Вт, витрин, витражей и навесных светопрозрачных конструкций - не менее 0,65 м²-°С/Вт.
При выборе нормирования по удельному расходу тепловой энергии на отопление расчетный удельный расход энергии Q_h^des, МДж/м² [МДж/м³], должен быть меньше или равен нормируемому значению Q_h^req, МДж/м² [МДж/м³], с учетом его снижения в зависимости от класса здания А или В. Если указанное условие обеспечивается при меньших значениях сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных), чем величины в числителе таблиц, то разрешается снижать эти значения, но не ниже минимальных величин, указанных в знаменателе этих таблиц.

Методика расчета удельного расхода тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период установлена в обязательном приложении СНиП 23-02-2003.
Как показал анализ более десятка энергетических паспортов высотных зданий, выполненных различными организациями, потери за счет инфильтрации составляют 36-65 % от общих теплопотерь здания.
Конструктивные решения, а также теплотехнические характеристики и воздухопроницаемость светопрозрачных ограждающих конструкций непосредственно влияют именно на эти составляющие теплового баланса современного здания.
Согласно действующим сегодня нормам, расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период Q_h^des, кДж/(м²-°С-сут) или кДж/(м³-°С-сут), определяется по формуле:
q_h^des=10³Q_h^y[A_h-D_d) или q_h^des= 10³Q_h^y/(V_h-D_d), (1)
где Q_h^y- расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, МДж; A_h - сумма площадей пола квартир или полезной площади помещений здания, за исключением лестниц, лифтовых шахт, тамбуров, технических этажей и гаражей, м²;
V_h- отапливаемый объем здания;
D_d - градусо-сутки отопительного периода, D_d, °C сут., определяемые по формуле:
D_d = (t_int-t_ht)z_ht, (2)
где t_int - расчетная средняя температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций в группе, для категории жилых зданий, лечебно-профилактических и детских учреждений, школ, интернатов, гостиниц и общежитий по минимальным значениям оптимальной температуры для соответствующих строений по ГОСТ 30494-96 (в интервале плюс 20-22 °С); для общественных зданий, кроме указанных выше, административных и бытовых, производственных и других, а также для помещений с влажным или мокрым режимами согласно их классификации и минимальным значениям оптимальной температуры по ГОСТ 30494-96 (в интервале плюс 16-21 °С), производственных сооружений с сухим и нормальным режимом по нормам проектирования соответствующих помещений;
t_ht, z_ht - средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, суток, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01-99 для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более плюс 10 °С — при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более плюс 8 °С - в остальных случаях.

Общие теплопотери здания Q_h, МДж, за отопительный период определяются по формуле:
Q =0,0864K_m•D_d •A_e^sum, (3)
где Km- общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С), определяемый по формуле:
К_m =К_m^tr +K_m^inf , (4)
где K_m^tr - приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/(м²•°С);
K_m^inf - приведенный инфильтрационный коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/(м²•°С).

Трансмиссионные теплопотери - компонента общего энергетического баланса здания, непосредственно определяемая теплотехническими характеристиками ограждающих конструкций здания и климатическими условиями. Существующий сегодня алгоритм не учитывает изменения реальных значений теплотехнических и климатологических характеристик ни по высоте здания, ни в течение отопительного периода.
Таблица 1 Средняя месячная и годовая температура воздуха г. Москва, °С

Высота здания, м	Месяцы года												Год
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
от 76 до 150	-10,3	-9,4	-4,8	3,9	11,2	15,8	17,8	16,0	9,5	3,2	-3,3	-7,7	3,5
свыше 150	-10,2	-9,3	-5,5	3,2	10,5	15,2	17,2	15,4	8,7	2,4	-4,1	-7,6	3,0

Как видно из табл. 1, среднемесячная температура для климатических условий Москвы значительно отличается как от температуры наиболее холодной пятидневки, так и от средней температуры отопительного периода для города. Использование средневзвешенного параметра - градусо-суток - отопительного периода в данном случае не дает объективного значения трансмиссионных теплопотерь через ограждающие конструкции высотного здания.
В ходе лабораторных исследований фасадных конструкций ведущих производителей, специалистами НИИСФ была собрана статистика изменения теплотехнических характеристик светопрозрачных ограждающих конструкций в зависимости от температуры наружного воздуха. Как показали результаты многочисленных лабораторных испытаний, сопротивление теплопередаче полноразмерного элемента фасадной конструкции при температуре наружного воздуха, соответствующего температуре наиболее холодной пятидневки для Москвы t_ext =-28 °C, и при температуре наружного воздуха t_ext = -10 °С, соответствующей средней температуре января-февраля, отличаются на 12-18 %. Таким образом, при использовании существующей методики определения трансмиссионных теплопотерь за отопительный период в одной формуле используются для определения градусо-суток отопительного периода - средняя температура отопительного периода, составляющая для условий Москвы -3,4 °С, и приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной ограждающей конструкции, определяемое для условий наиболее холодной пятидневки.

Для исправления этой систематической ошибки при оценке трансмиссионных потерь необходимо:

1. Производить расчет пиковых значений теплопотерь для всего здания с учетом малой инерционности светопрозрачных ограждаемых конструкций. Поскольку с учетом экспериментальных данных тепловая инерция однослойных светопрозрачных ограждающих конструкций составляет 7-12 ч., а двуслойных - 12-20 ч., целесообразно для определения пиковых теплопотерь использовать температуру наиболее холодных суток для региона строительства с учетом изменения температуры по высоте. Для высотного здания 300 м в г. Москва эта температура составит-39-2 = -41 °С.
При этом необходимо при расчете температурных полей учитывать изменение коэффициентов теплоотдачи наружной поверхности с учетом изменения наружной температуры и скорости ветра. Естественно, что при таких условиях выполнение требования п. 5.10 СНиП 23-02-2003 станет трудновыполнимым. Для обеспечения данных требований возможно:

• ограничить использование стеклопакетов с алюминиевой дистанционной рамкой;
  
• допустить снижения расчетной температуры на внутренней поверхности светопрозрачной части до 0 °С (при существующих в п. 5.10 СНиП 23-02-2003 на сегодняшний день ограничениях в 3 °С].
  

2. При оценке трансмиссионных теплопотерь за отопительный период необходимо:

• разделение высотного здания на более локальные элементы, имеющие однородные теплотехнические и климатологические характеристики. Размерность членения можно определить только после проведения комплекса дополнительных расчетных исследований и сопоставления их с натурными результатами;
  
• при оценке теплотехнических характеристик использовать локальные значения наружных температур для данной зоны ограждающих конструкций;
  
• проводить раздельную оценку трансмиссионных теплопотерь для каждого месяца отопительного периода. При этом для определения трансмиссионных теплопотерь принимать приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной части конструкции со¬ответственно среднемесячной температуре с учетом поправок на высотность здания.
  

Определение соответствующих значений приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций (фасадных конструкций) возможно как в лабораторных условиях с использованием положений ГОСТ 26602.1-99, так и расчетным методом, согласно ГОСТ Р 54-858-2011 «Конструкции фасадные светопрозрачные. Метод определения приведенного сопротивления теплопередаче».
На рис. 1-3 изображены графики зависимости приведенного сопротивления теплопередаче для трех наиболее распространенных на сегодня типов светопрозрачных конструкций.

Рисунок 1График зависимости приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с однокамерным стеклопакетом СПО 63-16Ar-И6СМ3 (#3, ε=0.024) от температуры наружного воздуха при tB=+20°С

Рисунок 2График зависимости приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопакетом СПД 83-16Ar-6M1-14Ar-И6 с одним низкоэмиссионным покрытием (#=5, ε=0.05) от температуры наружного воздуха при tB=+20°С

Рисунок 3 График зависимости приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопакетом СПД 83И-16Ar-6M1-14Ar-И6 с двумя низкоэмиссионными покрытиями (#=2, ε=0.02) от температуры наружного воздуха при tB=+20 °С

Графики являются обобщением результатов многолетних натурных и лабораторных испытаний НИИСФ РААСН. Для расчета использовалась «усредненная профильная система с R_k^непр = 0,5 м²•С/Вт» при отношении площади остекления к площади светопозрачной ограждающей конструкции β= 0,8. В табл. 2 приведены результаты расчета помесячных трансмиссионных теплопотерь через 1 м² трех типов светопозрачных фасадных конструкций за отопительный период. Таблица 2
Результаты расчета помесячных трансмиссионных теплопотерь через 1м² светопрозрачных фасадных конструкций за отопительный период

Месяц	t ср°С	С СПО 63-16Ar-И6СМ3		С СПД 83-16Ar-6М1-14Ar-И6		С СПД 83И-16Ar-6М1-14Ar-И6
		RпрO (tн)	Q,Вт/ч	RпрO (tн)	Q,Вт/ч	RпрO (tн)	Q,Вт/ч
10	2,4	0,85	11429,65	0,99	9813,333	1,37	7091,387
11	-4,1	0,78	22246,15	0,98	17706,12	1,36	12758,82
12	-7,6	0,76	27018,95	0,97	21169,48	1,36	15098,82
1	-10,2	0,74	30363,24	0,97	23163,71	1,35	16643,56
2	-9,3	0,75	26252,8	0,97	20298,56	1,35	14584,89
3	-5,5	0,78	24323,08	0,98	19359,18	1,36	13950
4	3,2	0,86	10783,26	0,98	9462,857	1,37	6769,051
10	2,4	0,85	152417,1	0,99	120973,2	1,37	86896,53
Суммарные теплопотери, Вт/м2			11429,65		9813,333		7091,387

Если произвести оценку трансмиссионных тепло-потерь через ограждающие конструкции какого-либо проектируемого здания согласно предлагаемой методике и методике, регламентируемой СНиП 23-02-2003, то получаем весьма интересный результат. На рис. 4-6 приведены расчеты теплопотерь для тех же типов фасадных конструкций здания с площадью светопозрачной части фасадной конструкции 32 000 м2 для климатических условий г. Москвы.

Рисунок 4 График ежемесячных трасмиссионных теплопотерь для светопрозрачной фасадной конструкции с однокамерным стеклопакетом СПО 63-16Ar-И6СМ3

Рисунок 5 График ежемесячных трасмиссионных теплопотерь для светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопакетом СПД 83-16Ar-6М1-14Ar-И6 с одним низкоэмиссионным покрытием

Рисунок 6 График ежемесячных трасмиссионных теплопотерь для светопрозрачной фасадной конструкции с двухкамерным стеклопакетом СПД 83И-16Ar-6М1-14Ar-И6 с двумы низкоэмиссионными покрытиями

На графиках серым прямоугольником выделены результаты расчета трансмиссионных теплопотерь через ограждающие конструкции проектируемого здания согласно предлагаемой методике и методике, регламентируемой СНиП 23-02-2003, усредненные на все месяца отопительного периода.
Если сравнить суммарные теплопотери за отопи¬тельный период для всех типов фасадных конструкций, то они будут соответственно на 16,5-22% ниже, чем определяемые согласно усредненной методике СНиП 23-02-2003 для фасадов с одно- и двухкамерными стеклопакетами. Как показали результаты расчетов, наиболее энергоэффективной на сегодняшний день является светопрозрачная фасадная конструкция с двухкамерным стеклопакетом СПД 83И-16Аг-6М1-14Аг-И6 с двумя низкоэмиссионными покрытиями (#2 ε= 0,02, #5 ε=0,037]. В качестве наружного низкоэмиссионного покрытия сегодня широко используется т. н. многофункциональное покрытие, также снижающее теплопоступления за счет солнечной энергии в летнее время.
Конечно же, для каждого случая запроектирован¬ной светопрозрачной конструкции необходимо проводить отдельный анализ с учетом всех составляющих теплообмена.

Согласно имеющимся в архиве энергетическим паспортам, проектируемые теплопотери через фасадные конструкции именно этого здания составляют 39-55 % от общих энергозатрат здания (в зависимости от редакции энергетического паспорта). Таким образом, чем более точный инструмент будет применен на стадии проектирования для оценки теплопотерь через светопрозрачные фасадные конструкции, тем больший диапазон архитектурных решений будет в распоряжении проектировщика.
Условный коэффициент теплопередачи здания, учитывающий теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции, Вт/(м²•°С), определяется в [1] по формуле:
K_m^inf = 0,28сn_aβ_vρ_a^htk/A_e^sum (5]
где с - удельная теплоемкость воздуха;
β_v - коэффициент снижения объема воздуха в зда¬нии, учитывающий наличие внутренних ограждающих конструкций; A_h - сумма площадей пола квартир или полезной площади помещений здания, за исключением техниче¬ских этажей и гаражей, м²;
V_h - отапливаемый объем здания, м3;
ρ_a^ht - средняя плотность приточного воздуха за ото¬пительный период, кг/м³, равная
ρ_a^ht, = 353/[273 + 0,5(t_int+t_ext)], (6)
где n_a - средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период,ч^-1;
t_ext и t_int - расчетная средняя температура внутрен¬него и наружного воздуха соответсвенно, °С

То есть, условный коэффициент теплопередачи здания за счет инфильтрации и вентиляции в первую очередь определяется как количеством инфильтрующегося воздуха в здании через ограждающие конструкции, так и режимом вентиляции здания.
В настоящее время количество инфильтрующегося воздуха для общественных зданий оценивается как количество воздуха, поступающего через неплотности светопрозрачных конструкций и дверей.
При этом, как и в случае с трансмиссионными теплопотерями, существующая в настоящее время модель и методика расчета не учитывает реальных физических процессов, происходящих в конструкциях высотного здания.

Согласно существующим методам испытаний на воздухопроницаемость (ГОСТ26602.2-99), испытания проводятся для перепада давлений Δр = 10÷600 Па. Согласно европейским нормам EN 12152 и EN 12153, испытания проводятся при Δр до 600, а в отдельных случаях и более. При этом значение максимальной воздухопроницаемости не должно превышать 1,5 м³/м-ч для глухих и 2 м³/м-ч для открывающихся фасадных конструкций. Используемая сегодня методика оперирует, как правило, значениями воздухопроницаемости при Δр = 10 Па.
Такие параметры расчетного значения разности давлений наружного и внутреннего воздуха не только неприменимы для современных зданий, но и вносят значительную систематическую ошибку в определение инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания.
Для определения инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания предлагается разделить процедуру ее определения на 2 этапа:

• определение предельных значений инфильтрационной составляющей для температуры наиболее холодных суток для региона строительства с учетом изменения температуры по высоте и максимальных значений ветра.
• определение инфильтрационной составляющей энергетического баланса высотного здания, произведенное для каждого месяца отопительного периода. При этом, для определения теплопотерь воздухопроницаемость конструкции согласно результатам лабораторных испытаний, заданные значения разности давлений наружного и внутреннего воздуха принимать соответственно среднемесячной температуре с учетом поправок на высотность здания, ориентацию здания.

Мы не остановились в данной статье на вопросе теплопотерь за счет ветровой составляющей, действующей на здании. Для некоторых современных зданий она может составлять более 2000Па. Учет скорости ветра и дополнительных теплопотерь за счет этой составляющей в современном алгоритме оценки энергетического баланса здания практически отсутствует.

Примечание

А.А. Верховский, И.И. Нанасов, Е.В. Елизарова, Д.И. Гальцев, В.В. Щередин Новый подход к оценке энергоэффективности светопрозрачных конструкций, журнал Светопрозрачные конструкции №1, 2012г.

Вклад участника:

Смирнова Дана