Оценка влияния изменения естественного воздухообмена на энергопотребление здания с учётом показателя герметичности современных окон



С принятием закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» всё больше внимания стало уделяться энергосбережению. Отечественная нормативная база в области теплозащиты и расчёта энергопотребления зданий претерпела значительные изменения, что повлекло за собой повышение требований к точности оценки составляющих энергетического баланса. Так как они напрямую связанны с классом энергосбережения здания и его технико-экономическими показателями. Однако расчёт вентиляционной части тепловой нагрузки основывается на нормативной кратности воздухообмена и не учитывает влияние изменения температуры наружного воздуха и скорости ветра в течение отопительного периода.

Данная статья является продолжением работы, представленной в [1]. Сейчас речь пойдёт так же о превышении фактического расхода воздуха с сравнении с проектным. Методика, изложенная в СП 50, построена на удельных характеристиках здания, каждая из которых по факту соответствует определённому слагаемому теплового баланса здания. Интересующая нас вентиляционная характеристика k_вент, Вт/(м³·К), рассчитывается по формуле:

, (1)

где с — удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг∙°С); β_ν — коэффициент снижения объема воздуха в здании, учитывающих наличие внутренних ограждающих конструкций, при отсутствии данных принимаемый равным 0.85; — средняя плотность приточного воздуха за отопительный период, кг/м³, равная 353/(273+t_от), где t_от — средняя температура наружного воздуха за отопительный период; k_эф — коэффициент эффективности рекуператора; n_{в —} средняя кратность воздухообмена за отопительный период, ч^-1.

Приток воздуха в системах естественной вентиляции обеспечивается за счёт инфильтрации, которая протекает за счёт разности давлений воздуха снаружи и внутри здания. Окна с деревянными переплётами, которые применялись раньше, имеют достаточно высокую воздухопроницаемость, которой хватало для обеспечения нормативного воздухообмена за счёт инфильтрации через них, часто это величина была даже избыточна. Преследуя цель снизить неконтролируемый воздухообмен, происходящий за счёт инфильтрации, стали применяться современные оконные конструкции с достаточно высокими показателями герметичности. При такой степени герметичности объем инфильтрации значительно ниже требуемого для обеспечения нормативного воздухообмена. Это позволило установить на всех этажах размер инфильтрации установить одинаковой равной нормативному воздухообмену из расчета 3м³/ч на 1 м² жилой площади. [2]. Но согласно пункту 7.1.10 СП 60.13330.2012 и пункту 7.8 СП 50.13330.2012 поступление воздуха в помещения жилых зданий следует предусматривать через регулируемые приточные устройства. Однако даже высоки показатели герметичности стеклянных ограждающих конструкций не могут исключить проникновение воздуха через них. На сколько существенна может быть эта величина будет выяснено в этой работе. Удельное количество инфильтрующегося воздуха можно рассчитать по формуле (2):

, (2)

где — требуемое сопротивление воздухопроницаемости окон, м²∙ч/кг; ΔP_{p —} расчетная разность давлений, Па, определяемая по формуле:

, (3)

где g — ускорение свободного падения, м/с²; H — высота от центра окна на рассматриваемом этаже до верха вытяжных отверстий, м; ρ_н и ρ_{в —} плотность соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/м³; С_н и С_{з —} аэродинамические коэффициенты на наветренной и заветренной стороне здания; v — скорость ветра, м/с.

Тогда среднюю кратность воздухообмена для выражения (1) можно определить следующим образом:

, (4)

Здесь A_{ок.i —} суммарная площадь остекления i-го этажа, м²; V_от — отапливаемый объем здания, м³.

Заметим теперь, что в СП 50 при расчете k_вент величина n_в предполагается постоянной. На самом же деле входящие в формулу (3) значения ρ_н и v_н меняются в течение отопительного периода, а вместе с ними и величина n_в. Примем, что нормируемая средняя кратность обеспечивается через регулируемые приточные устройства и постоянна в течение всего отопительного периода. А вот средняя кратность инфильтрующегося воздуха вычисляется по изложенной выше методике и будет служить добавкой к основной (нормируемой) кратности воздухообмена формула (5).

, (5)

В расчёте приняты окнами с сопротивлением воздухопроницанию 1 м²•ч/кг при разности давлений ∆P_о= 10 Па. Коэффициент изменения воздухообмена представлен в виде отношения средней кратности воздухообмена с учётом прибавки на инфильтрацию к средней кратности, определённой по СП 50, он вычисляется по формуле 6.

, (6)

Тогда выражение 1 примет вид формула 7.

, (7)

В расчёте учувствуют четыре здания, расположенные в десяти регионах РФ. Теплотехнические характеристики зданий приняты не ниже нормируемых значений. Конструктивные и объёмно планировочные характеристики здания приведены в таблице 1.

Таблица 1

Геометрические характеристики зданий, исследуемых вработе

Характеристика	№здания
	1	2	3	4
Площадь стен, м2	2976	2939,64	497,37	3904,94
Площадь покрытия, м2	547	268,72	600,19	529,2
Площадь перекрытия, м2	547	256,08	600,19	529,2
Площадь окон, м2	587,25	435,96	301,73	825,5
Площадь дверей, м2	5	5	5	7
Жилая площадь, м2	2332,62	1946,4	1758,4	3103,5
Отапливаемый объем, м3	13784,4	11341	8205,7	18053,95
Высота здания, м

Так как площадь остекления имеет прямое влияние на величину данного показателя, то исследование зависимости коэффициента изменения воздухообмена от различных условий показателей будет выполняться на базе здания № 1. Первая зависимость будет представлять собой связь К от величины градусо суток отопительного периода, она представлена на графике, изображённом на рисунке 1.

Рис. 1. Зависимость К от ГСОП, без учета t

На рисунке 2 представлена зависимость К от скорости ветра.

Рис. 2. Зависимость К от скорости ветра

На рисунке 3 представлена зависимость К от градусо суток отопительного периода, но уже с учётом скорости ветра.

Рис. 3. Зависимость К от ГСОП, с учётом скорости ветра

Результаты расчётов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчетов

Город	H,м	К	Класс энергосбережения здания		Город	H,м	К	Класс энергосбережения здания
			без учета К	с учетом К				без учета К	с учетом К
Сочи. ГСОП=1260. =+6,6; v=3,5 м/с.	1	1,14	С+	С	Красноярск. ГСОП=6221. =–6,7; v=2,6 м/с.	1	1,18	B	C+
	2	1,14	С	С-		2	1,19	С+	С
	3	1,07	B	B		3	1,09	B+	B
	4	1,19	C-	D		4	1,28	B	C
Краснодар. ГСОП=2538. =+2,5; v=2,7 м/с.	1	1,14	C+	C	Сургут. ГСОП=7684,3. =–9,9; v=5,0 м/с.	1	1,23	B+	B
	2	1,15	C+	C+		2	1,24	B	C
	3	1,07	B	B		3	1,13	B+	B
	4	1,21	C	C-		4	1,34	B	C
Астрахань. ГСОП=3411. =–0,8; v=3,3 м/с.	1	1,16	B	C+	Воркута. ГСОП=8904,6. =–9,1; v=5,8 м/с.	1	1,25	B+	B
	2	1,17	C	C-		2	1,25	B	C+
	3	1,09	B	B		3	1,14	B+	B
	4	1,25	C	C-		4	1,35	B+	C+
Москва. ГСОП=4551. =–2,2; v=2,0 м/с.	1	1,15	B	C+	Уренгой. ГСОП=9467. =–13,1; v=3,6 м/с.	1	1,22	B+	B
	2	1,16	C+	C		2	1,23	B	C+
	3	1,07	B+	B		3	1,11	B+	B
	4	1,24	C+	C-		4	1,34	B	C
Уфа. ГСОП=5434. =–6,0; v=3,1 м/с.	1	1,18	B	C+	Якутск. ГСОП=10307. =–20,9; v=1,6 м/с.	1	1,23	B	C+
	2	1,19	C+	C		2	1,25	B	C
	3	1,09	B+	B		3	1,11	B+	B
	4	1,28	C+	C-		4	1,37	B	C+

В двадцати восьми из рассмотренных сорока случаев показатель класса энергосбережения здания снизился на один пункт, в восьми случаях он опустился на два пункта и лишь в четырёх остался на прежнем уровне. Из чего следует вывод, что хоть современные оконные конструкции в значительной степени исключают неорганизованный воздухообмен, всё же они не обеспечивают полную герметичность здания и существующий, через них, инфильтрационный поток может повлиять на точность расчёта энергопотребления здания. Например, для здания № 4 в расчётном регионе Сочи показатель класса энергосбережения опустился ниже нормируемого значения. Это ещё раз подтверждает необходимость учёта всех климатических параметров способных повлиять на энергопотребление здания, об этом уже говорилось в работах отечественных авторов [3,4].

Литература:

1. Самарин О. Д., Ревенко В. В. Учёт изменения естественного воздухообмена в течение отопительного периода при оценке энергопотребления жилых зданий // материалы Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — 2017: НИУ МГСУ, 2017. — С. 1049–1051.
2. Ливчак В. И. Обоснование расчета удельных показателей расхода тепла на отопление разноэтажных жилых зданий // АВОК. — 2005. — № 2. — С. 36–42.
3. О. Д. Самарин. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. — М.: Изд-во АСВ. 2014. 296 с.
4. Е. Г. Малявина, С. В. Бирюков, С. Н. Дианов. Воздушный режим жилых зданий. // АВОК. — 2003. — № 6. С. 14–21.