SUBSTANTIATION OF POWER EFFICIENCY AND PROFITABILITY OF CONSTRUCTING RESIDENTIAL BUILDINGS WITH LOW POWER CONSUMPTION IN OMSK
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin
2.
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin
Type:
Article
Pages:
from 17
to 23
Status:
Published
Received:
10.10.2016
Accepted:
14.10.2016
Published:
14.10.2016
Subject area:
UDK 69:[620.9:662.6.004.18]
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
power saving up technologies, power effective construction, power effective building with low power consumption, resulted resistance to heat transfer, bearing heat-insulating element
Abstract (English):
The advantages of construction of residential power effective building with low power consumption in comparison with construction of the building from a standard three-layer design in Omsk are revealed. Economic profitability of construction with application of power saving up technologies in the region with a cold climate is proved. The demanded resistance to a heat transfer of separate protecting designs of the considered building for environmental conditions of Omsk is calculated. The resulted resistance to a heat transfer of the external walls, the combined covering and basement floor are determined according to the requirements of Construction Rules 50.13330.2012 and 230.1325800.2015. The bearing heat-insulating element "Schock Isokorb®" is calculated as the mechanism of maintenance of effective thermoisolation of acting designs of a building. It is shown that long-term investment into construction of power effective buildings with low per consumption in the regions with cold climate are profitable.
The advantages of construction of residential power effective building with low power consumption in comparison with construction of the building from a standard three-layer design in Omsk are revealed. Economic profitability of construction with application of power saving up technologies in the region with a cold climate is proved. The demanded resistance to a heat transfer of separate protecting designs of the considered building for environmental conditions of Omsk is calculated. The resulted resistance to a heat transfer of the external walls, the combined covering and basement floor are determined according to the requirements of Construction Rules 50.13330.2012 and 230.1325800.2015. The bearing heat-insulating element "Schock Isokorb®" is calculated as the mechanism of maintenance of effective thermoisolation of acting designs of a building. It is shown that long-term investment into construction of power effective buildings with low per consumption in the regions with cold climate are profitable.
Keywords:
power saving up technologies, power effective construction, power effective building with low power consumption, resulted resistance to heat transfer, bearing heat-insulating element
power saving up technologies, power effective construction, power effective building with low power consumption, resulted resistance to heat transfer, bearing heat-insulating element
Введение Экономика России в настоящее время находится в состоянии стагнации, рецессии. Тем не менее, несмотря на существующие проблемы, российскому строительному комплексу удалось сохранить относительно высокие темпы ввода жилой недвижимости [1]. Благодаря Своду правил (СП 230.1325800.2015), введенному в действие 30 апреля 2015 г. [2], существенно увеличился уровень проектирования тепловой защиты зданий, а энергоэффективное строительство получило законодательную поддержку. В условиях неминуемого истощения энергетических ресурсов практически все осознают, что проблема экономии энергии при эксплуатации жилых объектов должна выходить на первые позиции, однако по причине недостаточной информированности далеко не все специалисты строительной отрасли понимают, как правильно экономить энергию и рентабельны ли долгосрочные инвестиции в энергоэффективное строительство. Именно поэтому целью нашего исследования стало выявление преимуществ строительства в г. Омске жилого энергоэффективного здания с низким энергопотреблением по сравнению со строительством здания, выполненного по стандартной технологии, а также обоснование экономической рентабельности строительства с применением энергосберегающих технологий в регионе с холодным климатом. Общая характеристика исследуемого объекта строительства Рассмотрим конструктивное решение наружных ограждающих конструкций энергоэффективного 12-квартирного 4-этажного жилого дома, предлагаемого к возведению в г. Омске (рис. 1). а б Рис. 1. Схема фасадов энергоэффективного здания с низким энергопотреблением, предложенного к строительству в г. Омске: а - южного; б - восточного Наружные стены здания - трехслойные, с внутренним и наружным слоями из кирпичной кладки на цементно-песчаном растворе толщиной 380 и 120 мм соответственно и теплоизоляционным слоем из минераловатных плит на основе базальтового волокна «Rockwool «Кавити Баттс» толщиной 140 мм. Соединение внутреннего и наружного слоев кирпичной кладки обеспечивается гибкими стеклопластиковыми связями. Внутри предусматривается оштукатуривание цементно-песчаным раствором толщиной 20 мм. Заполнение оконных проемов - оконные блоки из ПВХ, Al-профилей с двухкамерными стеклопакетами толщиной 40 мм (внутреннее стекло - с низкоэмиссионным покрытием). Проектируемое здание имеет совмещенное покрытие и неотапливаемое техническое подполье под жилой частью здания. Цокольное перекрытие неотапливаемого технического подполья - сборные многопустотные железобетонные плиты перекрытия толщиной 220 мм с укладкой теплоизоляционного слоя из плит экструдированного пенополистирола «Пеноплекс-35» толщиной 120 мм, гидроизоляционного слоя из полиэтиленовой пленки и заливкой поверх цементно-песчаного фиброраствора толщиной 70 мм. В помещении тамбура используются 2 типа дверей: входные двери - металлические, утепленные, а также двери из ПВХ-профилей с двухкамерными стеклопакетами. Для здания предусмотрен коммерческий учет потребленных воды, тепловой энергии и электричества. Для проверки требований энергоэффективности, с учетом требований СП 50.13330.2012 [3] в исследуемом здании был проведен расчет удельного теплопотребления и расчетная величина сопоставлена с нормативным значением. Обеспечение требования было достигнуто за счет выбора соответствующего уровня теплозащитных качеств отдельных ограждающих конструкций здания, его объемно-планировочного решения, типа, эффективности и метода регулирования используемых систем теплоснабжения и вентиляции. Обоснование выбора оптимального проектного решения, обеспечивающего соответствие здания требованиям энергетической эффективности Оценка приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен проектируемого здания (рис. 2) была выполнена в соответствии с рекомендациями [1, 2, 4, 5], с учетом потерь тепла через торцы плит перекрытий и откосы оконных проемов: - плоский элемент 1 - кирпичная кладка на цементно-песчаном и теплоизоляционном слое из минераловатных плит; - линейный элемент 1 - стык стены с плитой перекрытия, толщиной 220 мм, перфорированной в соотношении пустоты/бетонные перемычки 3/1; - линейный элемент 2 - примыкание оконного блока к стене. Рис. 2. Схема разреза наружной стены проектируемого здания: 1 - кирпичная кладка из кирпича обыкновенного глиняного на цементно-песчаном растворе с теплопроводностью lА = 0,7 Вт/(м×°С); 2 - минераловатные плиты «Rockwool «Кавити Баттс», lАприв = 0,043 Вт/(м×°С); 3 - стеклопластиковая связь; 4 - цементно-песчаный раствор, g0 = 1800 кг/м3, lА = 0,76 Вт/(м×°С) Таким образом, в рассматриваемом фрагменте ограждающей конструкции представлен один вид плоских и два вида линейных элементов. Весь фасад здания, включая светопроемы, имеет общую площадь 913,17 м2. Фасад содержит следующие светопроемы размерами: 1600 × 920 мм - 54 шт., 3600 × 3000 мм - 28 шт., 3400 × 1600 мм - 2 шт., 2300 × 1600 мм - 2 шт. Суммарная площадь светопроемов 460 м2. Площадь поверхности фрагмента ограждающей конструкции [2, п. Б.3, с. 14] для расчета приведенного сопротивления теплопередаче R0пр составляет: А = 913,17 - 460 = 417,17 м2. Суммарная протяженность торцов плит перекрытий на фасаде 137,6 м. Удельная геометрическая характеристика равна: Общая длина оконных откосов определена по экспликации оконных проемов: Длина откосов, приходящаяся на 1 м2 площади фрагмента, Условное, рассчитанное без учета теплопроводных включений конструкции, сопротивление теплопередаче наружных стен (определено по [2, формула (5.5)]) составляет (теплозащитная характеристика для плоского элемента): Коэффициент теплопередачи однородной части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент) рассчитан по [2, формула (5.2)]: Удельные потери теплоты линейного элемента 1 приняты по [2, табл. Г.16], при и l0 = 0,7 Вт/(м×°С), . Удельные потери теплоты линейного элемента 2 приняты по [2, табл. Г.33], при и l0 = 0,7 Вт/(м×°С), Таким образом, мы определили все удельные потери теплоты, обусловленные всеми элементами в рассматриваемом фрагменте ограждающей конструкции. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Таблица 1 Элемент конструкции Удельный геометрический показатель Удельные потери теплоты, Вт/(м2 ·°С) Удельный поток теплоты, обусловленный элементом, Вт/(м2 ·°С) Доля общего потока теплоты через фрагмент, % Плоский элемент 1 а = 1 м2/м2 U1 = 0,232 0,232 68,4 Линейный элемент 1 l1 = 0,388 м/м2 ψ1 = 0,155 0,060 16,8 Линейный элемент 2 l2 = 0,826 м/м2 Ψ2 = 0,01 0,008 14,8 Итого 0,300 100 Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции рассчитано по [2, формула (5.1)]: Коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции рассчитан по [2, формула (5.7)]: Расчет несущих теплоизоляционных элементов с целью ликвидации мостиков холода и снижения тепловых потерь Для снижения тепловых потерь через стыки стен с плитой перекрытия на лоджиях дома возможно применение несущих теплоизоляционных элементов (НТЭ) «Schock Isokorb®». Расчет и подбор данных деталей производились с помощью программного обеспечения немецкой компании «Schöck Bauteile GmbH» [6]. При использовании рассчитанных НТЭ: К30-CV30-V8-H210 c коэффициентом теплопроводности λ = 0,1280; К20-CV30-V8-H210 c λ = 0,0991; К40-CV30-VV-H210 c λ = 0,1535; К30-CV30-V10-H210 c λ = 0,1463; Q30 + Q30-H210 c λ = 0,0730 доли общего потока теплоты через фрагменты ограждающей конструкции изменятся - снизятся теплопотери через мостики холода (стыки несущих стен с плитами перекрытий (табл. 2)). Таблица 2 Элемент конструкции Удельный геометрический показатель Удельные потери теплоты, Вт/(м2 ·°С) Удельный поток теплоты, обусловленный элементом, Вт/(м2 ·°С) Доля общего потока теплоты через фрагмент, % Плоский элемент 1 а = 1 м2/м2 U1 = 0,232 0,232 81,4 Линейный элемент 1 l1 = 0,388 м/м2 ψ1 = 0,055 0,021 8,0 Линейный элемент 2 l2 = 0,826 м/м2 Ψ2 = 0,01 0,008 10,6 Итого 0,261 100 За счет применения НТЭ фирмы «Schöck Bauteile GmbH» повысится и приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции: Соответственно, увеличится коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции: . Расчет совмещенного покрытия и цокольного перекрытия здания Совмещенное покрытие исследуемого энергоэффективного жилого дома (рис. 3) имеет также довольно высокое значение приведенного сопротивления теплопередаче: R0пр = 5,69 м2 × оС/Вт. Рис. 3. Схема разреза совмещенного покрытия: Ж/Б плиты - железобетонные плиты Схема цокольного перекрытия неотапливаемого технического подвала жилой части здания показана на рис. 4. Значение приведенного сопротивления теплопередаче вполне приемлемо: R0пр = 4,36 м2 × оС/Вт. Рис. 4. Схема разреза цокольного перекрытия Сводные результаты теплозащитных качеств здания приведены в табл. 3. Таблица 3 Итоговые результаты расчета теплозащитных качеств ограждающих конструкций исследуемого здания Ограждение Требуемое приведенное сопротивление теплопередаче, м2×°С/Вт [7] Полученные расчетные значения По минимальным требованиям п. 5.13 По требованиям табл. 4 Наружные стены 2,28 3,62 3,8 Совмещенное покрытие 4,30 5,37 5,69 Цокольное перекрытие технического подвала 1,22 1,53 4,36 Заполнение оконных проемов 0,59 0,62 0,59 Входные двери и ворота 1,02 1,02 1,02 Холодный климат России требует повышенных затрат при строительстве жилых энергоэффективных домов с низким энергопотреблением. Однако существенное снижение стоимости отопления таких домов в осенне-весенний и, особенно, в зимний периоды позволяет окупить эти затраты уже через 10 лет (рис. 5), используя заемные средства. Рис. 5. Динамика возврата заемных средств при долгосрочных инвестициях в строительство энергоэффективных зданий с низким уровнем энергопотребления c учетом дополнительного инвестирования, евро Без использования заемных средств дополнительные затраты окупятся к 2022 г. (с учетом нынешней динамики роста цен на энергоресурсы (рис. 5)). Это подтверждается расчетами, выполненными по методике, предоставленной нам специалистами проектно-консалтингового института «Luwoge consult» (Людвигсхафен, Германия). Заключение Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы. 1. Долгосрочные инвестиции в строительство энергоэффективных зданий с низким энергопотреблением в регионах с холодным климатом рентабельны. 2. Теплозащитные качества ограждающих конструкций энергоэффективного здания с низким уровнем энергопотребления, предлагаемого к строительству, соответствуют требованиям нормативного документа [5] по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, а также требованиям [2, 3]. 3. Расчетные показатели удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию 1 м3 отапливаемого объема исследуемого здания соответствуют нормативным требованиям [3]. 4. Расчетный удельный расход тепловой энергии системы отопления здания с учетом автоматического регулировании теплоотдачи отопительных приборов составляет qhdes = 18,8 кДж/(м3׺С×сут). Нормативное значение удельного расхода тепловой энергии qhreg = 31,0 кДж/(м3׺С×сут). В соответствии с требованиями [3] спроектированному зданию жилого дома может быть присвоен класс энергетической эффективности «А» («Очень высокий»). В здании предусмотрен учет потребляемых энергетических ресурсов, а именно тепловой энергии, электрической энергии и воды, путем установки приборов учета. 5. Принятые в проекте конструктивные, инженерно-технические и архитектурно-планировочные решения по тепловой защите здания соответствуют требованиям [5].
1. Stroitel'nyy rynok: itogi 2015 goda i tendencii razvitiya. URL: http://www.radidomapro. ru/ryedktzij/stroytelstvo/kapitalnoye/stroitelignyj-rynok--itogi-2015-goda-i-tendentzii--25900.php (data obrascheniya: 16.08.2016).
2. SP 230.1325800.2015. Konstrukcii ograzhdayuschie zdaniy. Harakteristiki teplotehnicheskih neodnorodnostey. Utverzhden prikazom Ministerstva stroitel'stva i zhilischno-kommunal'nogo hozyaystva RF ot 8 aprelya 2015 g. № 261/pr. Vveden v deystvie s 30 aprelya 2015 g. URL: http://docs.cntd.ru/ document/1200123088 (data obrascheniya: 16.08.2016).
3. SP 50.13330.2012. Teplovaya zaschita zdaniy. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-02-2003. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293799/4293799306.htm (data obrascheniya: 22.08.2016).
4. SP 23-101-2004. Proektirovanie teplovoy zaschity zdaniy. URL. http://files.stroyinf.ru/Data1/43/ 43635/ (data obrascheniya: 22.08.2016).
5. Sistema normativnyh dokumentov v stroitel'stve. Territorial'nye stroitel'nye normy. Administraciya Omskoy oblasti. Energosberezhenie v grazhdanskih zdaniyah. Normativy po teplopotrebleniyu i teplozaschite. TSN 23-338-2002 Omskoy oblasti. URL: http://gostisnip.ru/dokumenty/territorialnye_ stroitelnye_normy_tsn/tsn_23-338-2002_omskoy_oblasti/ (data obrascheniya: 22.08.2016).
6. Wärmebrücken-Rechner. URL: https://psi.schoeck.de/isokorb (data obrascheniya: 25.06.2015).
7. SNiP 23-02-2003. Teplovaya zaschita zdaniy. URL: http://www.vashdom.ru/snip/23-02-2003/ (data obrascheniya: 22.08.2016).
