В. Блэзи

Справочник

проектировщика.

Строительная физика

Перевод с немецкого

под ред. д.т.н. А.К. Соловьева

Рекомендовано

кафедрой архитектуры МИСИ

в качестве учебного пособия

для студентов, обучающихся

по направлению подготовки

«Строительство»

ТЕХНОСФЕРА

Москва

2012

УДК 69

ББК 38.113

Б70

Б70 Блэзи В. Справочник проектировщика. Строительная физика

Москва: Техносфера, 2012. — 616 c.

ISBN 978 5 94836 308 0 Справочник содержит материал по технологическим, теплофизическим и акустическим характеристикам современных строительных материалов. В нем рассматриваются вопросы пожарозащиты зданий и защиты от огня несущих и ограждающих конструкций, вопросы остекления и его характеристики с точки зрения теплозащиты при использовании в качестве теплоизоляционного или солнцезащитного остекления, строительная химия и светотехника.

Данное 8-е издание переработано с учетом новейших европейских стандартов, а также положений постановления об энергосбережении. Особое внимание в справочнике уделено свойствам капиллярно активных теплоизоляционных материалов, в частности их применению в качестве внутренней теплоизоляции. При пользовании книгой следует учитывать, что все примеры приводятся для климатических условий Германии. Однако общие закономерности остаются справедливыми и для климата России.

Справочное руководство предназначено для инженеров-проектировщиков, учащихся высших учебных заведений и колледжей, а также для обучения в системе переподготовки и повышения квалификации.

УДК ББК 38. © Copyright 2011 (8th edition): Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten (Germany) © 2012, ЗАО «РИЦ «Техносфера», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление ISBN 978 5 94836 ISBN 978 3 8085 4268 2 (нем.)

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие...................................................... Предисловие к русскому изданию...................................... Глава 1. Теплозащита................................................ 1.1. Основы теплозащиты............................................ 1.1.1. Задачи теплозащиты........................................ 1.1.2. Источники тепла........................................... 1.1.3. Геотермия................................................ 1.1.4. Факторы, влияющие на теплозащиту............................ 1.1.5. Теплопередача............................................. 1.2. Физические основы............................................. 1.2.1. Основные физические величины теплозащиты..................... 1.2.2. Ощущение комфорта в помещении............................. 1.2.3. Возможности энергосбережения............................... 1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите......... 1.3.1. Расчет для подтверждения выполнения требований по теплозащите согласно DIN 4108.......................................... 1.3.2. Среднее значение величины U/R............................... 1.3.3. Общий энергетический коэффициент пропускания g.................. 1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты согласно постановлению об энергосбережении (EnEV).......................... 1.4.1. Постановление об энергосбережении и его связь с национальными стандартами.............................................. 1.4.2. Область применения постановления об энергосбережении............ 1.4.3. Основные методы расчета согласно постановлению об энергосбережении 1.4.4. Термины и определения постановления об энергосбережении......... 1.4.5. Размеры здания и их использование в EnEv....................... 1.4.6. От конечной энергии QE к первичной энергии Qр.................. 1.4.7. Внутренние теплопоступления................................. 1.4.8. Солнечные теплопоступления................................. 1.4.9. Воздухонепроницаемость / Испытания на воздухонепроницаемость..... 1.4.10. Теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации.................. 1.4.11. Накопление тепла......................................... 1.5. Методы расчета для подтверждения выполнения требований согласно постановлению об энергосбережении (EnEV 2009)........................ 1.5.1. Метод месячного энергетического баланса (МВ-метод) / поэлементный метод (ВТ-метод)............................... 1.5.2. Санация существующих зданий................................ 1.5.3. Определение годовой потребности в первичной энергии в последовательности от 1 до 10................................ 1.5.4. Максимальное значение общего коэффициента теплопередачи U согласно EnEV............................................. 1.5.5. Методы расчетов для существующих зданий (старые постройки)....... 1.6. Характеристики материалов....................................... 1.7. Примеры расчета и применение теплозащиты.......................... 1.9.1. Роль окна в летней теплозащите и теплозащитное остекление........ 1.9.2. Сравнение характеристик отдельных строительных материалов 1.10. Методы расчетов для вновь возводимых зданий....................... 1.12. Базовые значения интенсивности излучения и температура наружного 1.12.1. Значения интенсивности излучения для некоторых базовых регионов 1.14. Изменение размеров конструктивных элементов вследствие влияния 1.14.3. Примеры расчета различных строительных элементов............. Глава 2. Влажность. Защита от влажности................................ 2.7.1.2. Гидроизоляция против воды под напором (грунтовых вод)..... 2.9. Образование конденсата — точка росы.............................. 2.10. Водонепроницаемость — паронепроницаемость — задерживание водяного 2.10.1. Коэффициент сопротивления паропроницанию (m)............... 2.11. Сравнение теплозащиты и защиты от влаги.......................... 2.12. Объяснение принципа теплового потока............................ 2.13. Объяснение принципа пароизоляции............................... 2.15. Защита от влаги вследствие диффузии водяного пара................... 2.15.1. Условия влагозащиты согласно DIN 4108...................... 2.15.2. Предотвращение выпадения влаги на поверхности конструкции..... 2.15.3. Предотвращение выпадения конденсата внутри ограждающих 2.16.2. Объяснение построения диаграммы Глазера.................... 2.17. Мероприятия по предотвращению выпадения конденсата внутри конструкции 2.18. Возможные случаи выпадения конденсата по диаграмме Глазера.......... 2.18.2. Выпадение конденсата в одной плоскости...................... 2.18.3. Выпадение конденсата в двух плоскостях...................... 2.18.4. Выпадение конденсата в одной области........................ 2.19. Исследование влажностного состояния различных конструкций........... 2.20. Элементы конструкций, требующие особого внимания с энергетической 2.20.3. Расчеты для мостиков холода согласно DIN 4108, Приложение 2..... 2.21.1. Задачи по предотвращению образования плесневых грибов......... 2.21.2. Наружная стена с различных точек зрения по аспектам защиты 2.21.3. Образование водорослей на наружных стенах с многослойными 2.23. Капиллярноактивные теплоизоляционные материалы.................. 2.24. Парозадерживающие материалы, адаптирующиеся к влажности........... 2.25. Крыша как особая часть постройки................................ 3.9. Пути прохождения звука через конструкцию.......................... 3.9.2. Коэффициенты звукопоглощения as различных вариантов отделки..... 3.10. Звукоизоляция строительных конструкций........................... 3.10.2. Расчетный метод оценки величины звукоизоляции 3.10.3. Графический метод определения величины звукоизоляции......... 3.10.4. Определение величины звукоизоляции в октавных интервалах...... 3.10.5. Графический метод для определения величины звукоизоляции...... 3.11. Определение оцененной величины звукоизоляции перед возведением 3.11.2. Расчетное определение оцененной величины звукоизоляции........ 3.11.2.1. Однооболочковые стены без проемов, таких как двери 3.11.2.2. Однооболочковые стены с проемами, такими как двери, 3.11.2.3. Графический метод определения общей величины 3.11.2.4. Расчетный метод определения общей величины 3.11.2.5. Краткая форма расчета звукоизоляции комбинированных 3.11.2.6. Общая величина звукоизоляции стены с двумя различными 3.11.2.7. Поправочные значения оцененной величины 3.12.1. Резонансная частота fR (частота собственных колебаний).......... 3.12.2. Резонансная частота fR двухоболочковой конструкции со свободно вложенным в прослойку мягко пружинящим изоляционным слоем... 3.12.3. Связь изоляционного слоя с обеими оболочками по всей плоскости.. 3.12.4. Расчетное определение величины звукоизоляции двухоболочковых 3.12.5. Конструкции стен с двумя гибкими оболочками................. 3.13.1. Определение нормированного уровня шагового шума............. 3.13.3. Предварительное определение оцененного нормативного уровня 3.13.4. Поправка на передачу шагового шума при использовании 3.13.5. Уменьшение шагового шума DLW стяжек согласно DIN 12354....... 3.15.1. Подвесные потолки под массивными перекрытиями.............. 3.15.3. Эквивалентные оцененные величины звукоизоляции от ударного шума под перекрытием Ln,W,eq и величины звукоизоляции 3.19.2. Трубопроводы канализации (водоотведение).................... 3.19.4. Устройства отопления и климатизации........................ 3.19.5. Минимальные требования по звукозащите согласно DIN 4109....... 3.20. Определение общего уровня шума................................. 3.20.1. Несколько одинаковых источников шума...................... 3.20.2. Несколько различных источников шума....................... 3.21. Шумозащита в градостроительстве................................. 4.2. Классы строительных материалов.................................. 4.2.1. Негорючие строительные материалы........................... 4.3. Отдельные строительные материалы................................ 4.5. Поведение строительных конструкций при пожаре..................... 4.6. Специальные строительные конструкции............................ 4.6.2. Огнезащитные заполнения проемов............................ 4.6.4. Вентиляционные короба, трубопроводы......................... 4.7. Некоторые примеры конструкций и их классы огнестойкости 4.8. Классы пожарозащиты согласно Европейскому стандарту................ 4.9. Классификация пожарных характеристик строительных материалов согласно Европейскому стандарту DIN EN 13501 и сравнение с DIN 4102, 4.10. Характеристики строительных материалов и слоев строительной 5.8.1. Электрохимический ряд напряжений по Гальвани................. 5.10. Вода как причина повреждений в строительстве....................... 5.10.1. Вода как средство для создания растворов...................... 5.10.2. Вода как участник химических реакций....................... 5.10.3. Вода как средство переноса других веществ..................... 5.10.6. Вода как фактор, способствующий росту....................... 5.14. Повреждающий фактор — микроорганизмы.......................... 5.15. Правила для предотвращения строительных повреждений............... Глава 6. Строительная светотехника. Естественное освещение................. 6.2. Основные понятия, величины, единицы............................. 6.4. Понятие о световом климате местности.............................. 6.5. Нормирование естественного освещeния............................. 6.6. Проектирование систем естественного освещения...................... 6.7. Примеры проектирования и расчетов естественного освещения............

ПРЕДИСЛОВИЕ

С началом нефтяного кризиса 1973 г. всем стало ясно, что разбазаривание жидкого горючего не может продолжаться так же, как прежде. Щадящее расходование запасов горючего и уменьшение выбросов СО2 стало центральным пунктом политики. Следствием явился выход на основе закона об экономии энергии так называемых норм теплозащиты, последнее новейшее издание которых действует с 01.02.2002.

Ужесточенные требования к теплозащите не всегда остаются без последствий с точки зрения увлажнения. Слишком герметичные окна, непрофессионально выполненные мероприятия по теплозащите обуславливают внезапно появляющиеся повреждения от влажности там, где до этого никаких проблем не возникало. Следствием явилось то, что вслед за теплозащитой потребовалось уделять все больше внимания влагозащите. Обязательное испытание на воздухонепроницаемость (Blower Door) предъявляет другие требования по влагозащите, которые касаются как строительной конструкции, так и действий пользователя здания.

Проблеме образования плесени в углах помещения вследствие все возрастающей воздухонепроницаемости оболочки здания уделено особое внимание.

Также рассматриваются причины появления водорослей, в частности на внешней стороне стен, оснащенных многослойными системами утепления фасадов.

Выросшие транспортные потоки, более плотная застройка, повышенные шумовые нагрузки на жильцов от радио, телевидения, громкоговорителей в последние годы сделали также и шумозащиту все большей заботой проектировщиков и заказчиков.

Будучи ранее узкой областью немногих специалистов, сегодня эти три раздела — теплозащита, влагозащита, шумозащита, которые считаются основными разделами строительной физики и неразрывно связаны между собой, становятся все большей ежедневной задачей проектировщиков и производственников в области строительства.

Защита от пожаров как четвертый раздел строительной физики также кратко рассмотрена в настоящей книге.

Нельзя было не привести в данной книге небольшой анализ современного состояния строительной химии. Только тот, кто имеет солидные знания в области строительной физики и строительной химии, в состоянии успешно вести работы по санированию зданий.

Таким образом, эта книга обращена к тем, кто хочет познакомиться с дисциплинами строительной физики и строительной химии, к тем, кто интересуется не только теоретическими вопросами, но и кто хочет использовать и рассматривать различные конструкции с точки зрения строительной физики.

Полностью рассчитанные примеры беспроблемных и проблемных случаев должны облегчить читателю понимание предмета.

Книга рассчитана на мастеров, техников, студентов технических колледжей, технических вузов, технических университетов, на преподавателей ПТУ, архитекторов, инженеров, обучающих сотрудников на предприятиях и не в последнюю очередь на организаторов семинаров по повышению квалификации специалистов.

Данное 8 е издание переработано с учетом новейших стандартов не только на европейском, но и на национальном уровне, а также положений постановления об энергосбережении.

Особое внимание уделено свойствам капиллярно активных теплоизоляционных материалов, в частности их применению в качестве внутренней теплоизоляции.

В настоящем издании также рассматриваются вопросы остекления и его характеристики с точки зрения теплозащиты при использовании в качестве теплоизоляционного или солнцезащитного остекления, в звукоизоляции или противопожарной защите.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Книга немецкого ученого Вальтера Блэзи является попыткой совместить вопросы проектирования ограждающих конструкций со сложнейшим комплексом проблем строительной теплотехники, строительной акустики, звукоизоляции и пожарозащиты, а также строительной химии. В этом плане она является одной из первых попыток создать комплексную методику проектирования ограждающих конструкций, необходимость которой давно назрела.

В настоящее время проектирование ограждающих конструкций, которому традиционно уделялось мало внимания, ведется как бы раздельно по нескольким направлениям. Отдельно обеспечивается теплозащита ограждающих конструкций для зимних и летних условий, от нее отделяется их влажностный режим за годовой цикл увлажнения и высыхания. Отдельно рассматриваются вопросы звукоизоляции и пожарозащиты в основном для внутренних ограждающих конструкций. При этом вопросы строительной химии, как правило, вообще не рассматриваются. Аналогично ведется и преподавание в области проектирования ограждающих конструкций. При этом могут возникнуть, например, такие случаи, когда при дополнительном утеплении стен крупнопанельных зданий постройки 1970—1980-х годов вдруг резко нарушается их звукоизоляция и т.п. Комплексный подход к проектированию позволяет избежать таких явлений путем правильного подбора на стадии проектирования утеплителя и наружной отделки утепляемых стен.

На первый взгляд, книга перегружена примерами. Однако их обилие в конечном итоге становится ее достоинством, т.к. ей удобно пользоваться как проектировщикам, получающим быстрый ответ на свои вопросы, так и преподавателям и студентам архитектурных и строительных высших учебных заведений.

При пользовании книгой следует учитывать, что все примеры приводятся для климатических условий Германии. Однако общие закономерности остаются справедливыми и для климата России.

Особый интерес вызовет сравнение приведенных в книге нормативных данных и методик со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и соответствующим сводом правил к ним, в которых регламентируется подобный подход к проектированию общей теплозащиты по максимально допустимым теплопотерям здания в целом. Это дает возможность воспитать осмысленный подход к вопросам теплозащиты зданий и к учету вопросов строительной физики при их проектировании.

Книга предназначена для проектировщиков гражданских и промышленных зданий, а также для преподавателей и студентов архитектурных и строительных высших учебных заведений. Кроме того, она может быть использована в системе повышения квалификации специалистов.

об энерконстгосберерукций По методу По методу Поэлемесячного базового ментный энергетического баланса тня ащита тепл 1.1. Основы теплозащиты 1.1.1. Задачи теплозащиты 1. Понятие о комфорте в помещении.

Здание должно не только служить убежищем, но и создавать комфорт и поддерживать здоровье.

Комфорт в помещении зависит от:

Температуры внутреннего воздуха: оптимально 20—22 °С.

Температуры внутренних поверхностей стен, ограждающих помещение: минимум 16—18 °С. В противном случае появляется ощущение сквозняка.

Тепловой инерции (накопление тепла) стен, ограждающих помещения.

Барачного микроклимата: быстрый нагрев, быстрое охлаждение.

Температуры поверхности пола: оптимально 22—24 °С.

Относительной влажности воздуха в помещении:

Нормально 50—60% < 40% — сухость слизистой оболочки.

> 60% — тепличный климат.

Движения воздуха: максимально 0,2 м/с.

> 0,2 м/с — ощущение сквозняка Деятельности человека: сидячая работа, подвижная работа.

2. Задачи, имеющие конструктивные причины.

Напряжения вследствие влияния температуры ведут к повреждениям строительных конструкций (летом — температурное расширение: зимой — уменьшение размеров). Косвенные повреждения из-за воздействия влаги должны быть предотвращены.

3. Задачи, вытекающие из условий экономии энергии.

Запросы людей возрастают, растет их жизненный уровень, сырьевые запасы становятся дефицитными продуктами, то есть они невоспроизводимы, их запасы ограничены. Расход энергии на отопление и охлаждение должен поддерживаться на минимально возможном уровне.

4. Задачи, вытекающие из условия защиты окружающей среды.

Сжигание жидкого топлива для отопительной цели и в качестве горючего усиливает нагрузку на окружающую среду вследствие образования вредных газов и кислот.

C + O2 CO2 ® H 2 CO3 угольная кислота N + O2 NO2 ® H 2 NO3 азотная кислота Для снабжения энергией имеются многие источники.

1.1.2. Источники тепла Солнечные коллекторы: вода нагревается в 2. Химические:

коллекторе и дает тепло потребителю воды уголь, нефть, газ.

(солнечные водонагревательные системы). 3. Электрические:

Солнечные фотоэлементы: кремниевые фото- ток.

элементы преобразуют фотоэлектрическим пу- 4. Атомные:

тем солнечную энергию в электрический ток ядерная энергия.

(фотовольтаика).

2. Вода. Тепловой насос: вода—вода. Температурные шкалы Тепловая энергия отбирается у грунтовых вод, речной или морской воды и используется для Цельсия Кельвина Или: рекуперативное получение тепла из кана- кипения лизационной воды.

3. Воздух. Тепловой насос: воздух—вода.

Наружный воздух отсасывается, уплотняется в Точка теплонасосе и таким образом отбирается тепло- замерзания вая энергия для нагрева потребительской воды. (таяние Или: рекуперация тепла из воздуха, отводимого льда) из помещения при его кондиционировании.

4. Земля. Тепловой насос: соляной раствор—вода. Точка гая зонды на глубине 60—100 м (геотермия, использование энергии горячих источников).

5. Грунт. Выращивание растений для получения горючего, например рапсовое масло, биодизель.

6. Ветер. Ветровые электростанции: производство электроэнергии.

20 Глава 1. Теплозащита 1.1.3. Геотермия Рис. 1.1. Строение земли Грунтовые коллекторы Уже на небольшой глубине, примерно 2 метра, возможно с помощью прокладки коллекторов (трубы из полиэтилена высокой плотности), проложенных как для систем напольного этого вида геотермии. Кроме того, на рис. 1.2 видно, что выработка тепловой энергии грунта подвержена ежегодным сезонным колебаниям. Чтобы использовать тепловую энергию, Рис. 1.2. Тепловые насосы грунт—вода Грунтовые зонды В качестве энергоносителя, то есть источника энергии, здесь В зависимости от потребности в тепловой энергии устанавливаются несколько тепловых зондов в форме звезды под наклоном для предотвращения сильного точечного охлаждения области грунта. Граница, до которой разрешено использование территории, пролегает на глубине примерно 100 метров.

Вокруг пробуренных отверстий для обеспечения полного контакта с грунтом требуется заполнение скважины вокруг зонда Рис. 1.3. Тепловые время как диапазон температур для грунтовых коллекторов в насосы рассол—вода зависимости от времени года составляет от +5 до +15 °С.

В таких системах требуется наличие всасывающих и поглощающих колодцев. Эти всасывающие и поглощающие колодцы не должны располагаться рядом друг с другом для предотвращения смешивания с охлажденной примерно до 4 °С водой из области всасывающего колодца. Не каждый участок застройки позволяет производить установку всасывающих и поглощающих колодцев. Здесь хорошей альтернативой для термической энергии могут стать тепловые насосы типа соляной рассол—вода. Как тепловые насосы вода—вода (WWP), так и тепловые насосы рассол—вода (SWP) могут рабоРис. 1.4. Тепловые насосы вода— тать как реверсивные тепловые насосы, т.е.

Поверхностная геотермия среды до более высоких температур, используемая в глубинной геотермии вода, хранящаяся на большой глубине, настолько горяча, что Прямое солнечное излучение и осадки Поверхностная нейтраль- Основными аспектами для данных систем явГеотермический глубинной у «сухих» горных пород, преимущественно загеотермии легающих на большой глубине. Чем плотнее 1 – осень; 2 – зима; 3 – лето; 4 – весна В Германии из-за геологической структуры 22 Глава 1. Теплозащита 1.1.4. Факторы, влияющие на теплозащиту · Жалюзи (наружные наиболее эффективны). · Перекрытия 2. Накопление тепла в ограждающих констНаружные двери.

рукциях, таких как Их влияние выражается в благоприятном соПотолки (полы).

отношении амплитуд температуры на их внешних и внутренних поверхностях. Для комфорта человека вблизи стен, а также 3. Расположение отдельных слоев в много- для предотвращения конденсата влаги тепслойных ограждающих конструкциях — вы- ловая инерция конструкций имеет очень сыхание конструкций в летние месяцы (пе- важное значение.

риод выпаривания влаги), тепловая инерция 3. Расположение отдельных слоев в мнои сдвиг по фазе температурных колебаний гослойных ограждающих конструкциях. Прана поверхности конструкции. вильная последовательность слоев изнутОбщий коэффициент пропускания энер- ри — наружу особенно важна. Образование гии окнами и прочими светопрозрачными конденсата внутри конструкции.

· Стекла с металлическим напылением · Зимние сады (наружные стекла).

5. Отношение площади окон и других светопрозрачных конструкций к площади поверх- (внутренние стекла).

ности наружных ограждающих конструкций 5. Отношение площади окон и других светоздания. прозрачных конструкций к площади поверхГеографическое положение здания: ности наружных ограждающих конструкций 7. Ориентация окон и других светопрозрачВысота над уровнем моря ных конструкций по сторонам света. РазличУсловия облачности ные солнцезащитные устройства в зависиЧастота туманов.

мости от ориентации.

8. Возможности вентиляции: 7. Ориентация окон и других светопрозрачПринудительная вентиляция с помощью ных конструкций по сторонам света. Солнечвентиляционных установок ные теплопоступления различны в зависимоЕстественная вентиляция посредством сти от ориентации, см. раздел 1.12.

открытия окон, в частности ночью или 8. Воздухонепроницаемость строительных ранним утром (по углам по диагонали конструкций и мест их примыканий.

наиболее эффективна). Ударное провет- 9. Воздухообмен:

ривание, в частности зимой, с энергетиВоздухообмен посредством механических ческой точки зрения лучше, чем длительное проветривание, т. к. в данном случае вентиляционных систем с рекуперацией меняется только весь объем воздуха, а тепла и без нее.

накопленная тепловая энергия остается в стенах.

9. Окраска наружных поверхностей стен · Светлые поверхности отражают тепловые · Темные поверхности поглощают тепловые 1.1.5. Теплопередача Причиной того, что в помещении имеют место примерно одинаковые температуры, независимо от расположения источников тепла, или того, что температура в помещении после отключения отопления понижается с различной скоростью, являются различные возможности передачи тепла.

Теплопроводность Передача тепла от молекулы к молекуле у жестких материалов.

Рис. 1.6. Гвоздь ста- Рис. 1.7. Дерево не Рис. 1.8. Спички воспламеновится горячим нагревается няются на различных металлах за различное время Теплопроводность выражается измеренным значением коэффициента теплопроводности l.

Чем меньше величина l, тем лучше теплоизоляция.

Тепловые потоки и тепловая конвекция Передача тепла вместе с потоком теплоносителя Тепловой поток: в жидкостях Тепловая конвекция: в воздухе (газах) Рис. 1.9. Вода циркулиру- Рис. 1.10. Воздух циркулирует от ет в трубке и расширяется отопительного прибора и к нему Принцип: водяное отопление 24 Глава 1. Теплозащита Тогда как при теплопроводности молекулы остаются на месте, при тепловом потоке или конвекции тепло переносится изменяющими свое положение частичками вещества, имеющими определенный тепловой потенциал.

Конвекция происходит преимущественно следующим образом: воздух расширяется около поверхности отопительного прибора при нагревании. В результате уменьшается его плотность, и удельный вес становится меньше. Более легкий воздух поднимается вверх, охлаждается, снова становится тяжелее и опускается вниз. Так возникает круговорот, который распространяется почти на все помещение и сохраняет в нем примерно одинаковую температуру.

Тепловая радиация Тепловая энергия с помощью радиации может передаваться как через заполненное воздухом, так и через безвоздушное пространство. Тепловые лучи имеют различные длины волн и не связаны с материей. Поэтому они без потерь могут пронизывать безвоздушное пространство (космос). Поступающие на тело тепловые лучи частично поглощаются, частично отражаются. Эффект поглощения используется в солнечных коллекторах, причем поверхность коллекторов окрашивается в черный цвет. Отражение используется, когда нужно задержать радиационное тепло в помещении, как, например, в случае покрытого отражающим слоем одного из стекол в стеклопакете.

Рис. 1.11. Теплозащитный стек- Рис. 1.12. Солнцезащитный Тепло должно быть задержа- Тепло не должно попасть Рис. 1.13. Алюминиевая пленка: Рис. 1.14. Поверхность нагреза отопительным прибором ва направляет тепловое излучение в помещение Тепло должно отражаться в 1.2. Физические основы 1.2.1. Основные физические величины теплозащиты 1. Количество тепла Q, единица Вт · с Под количеством тепла Q (Вт·с) понимают такое количество энергии, которое может быть отдано или воспринято телом при тепловом поТепловой поток:

токе (Вт) за секунду (1 с).

2. Теплопроводность l l — маленькая греческая буква l (произносится «ламбда»). Расчетная величина теплопроводности показывает количество тепла в Вт·с, которое проходит в стационарном режиме (при постоянно работающем отоплении) в 1 секунду через 1 м2 слоя материала толщиной 1 м, когда разность температур на внешней и внутренней поверхностях слоя составляет 1 кельвин (1 К = 1 °С).

Единица: Вт·с·м/с·м2·К = Вт/(м·К).

Чем больше l, тем больше теплопроводность.

Чем меньше l, тем лучше теплоизоляция.

Теплопроводность зависит от:

Плотности материала Материалы с малой плотностью имеют, как правило, много воздушных пор, коПробирка торые улучшают их теплоизоляционные свойства.

ше, чем продолговатые.

Величина: много маленьких пор лучше, чем меньшее количество больших.

Распределение: равномерное распределение лучше, чем неравномерное.

Влагосодержания материала Оно зависит от:

— структуры материала (поры, строе- в пробирке рав- в пробирке 26 Глава 1. Теплозащита — климатических воздействий (внутри—снаружи), — из-за воздушных пор (l = 0,025 Вт/м·К), заполненных водой (l = = 0,64 Вт/м·К), теплоизоляционные характеристики ухудшаются (пример — мокрое платье).

Увлажнение ухудшает теплоизолирующую способность.

Температуры материала Молекулы теплых материалов более подвижны, чем молекулы холодных материалов. Чем ниже температура материала, тем хуже теплопроводность.

Чтобы получить сравнимые значения, DIN 4108 предписывает определять теплопроводность при температуре +10 °С.

количество тепла (Вт·с) в стационарном режиме проходит через 1 м2 элемента однородной ограждающей разность температур поверхностей конструкции составляет 1 кельвин (1 К = 1 °С).

4. Сопротивление теплопередаче R Единица: R (м2·К/Вт).

Для оценки ограждающей конструкции с энергетической точки зрения является определяющим не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как велико ее сопротивление пропусканию тепла.

Чем больше сопротивление теплопередаче конструкции, тем лучше ее теплоизолирующая способность.

Если конструкция состоит из нескольких слоев, то сопротивления теплопередаче отдельных слоев могут складываться.

Толщина слоя d измеряется в метрах (м) 5. Коэффициент теплообмена h Коэффициент теплообмена h выражает количество тепла (в Вт·с), которое в секунду (с) обменивается между 1 м2 поверхности твердого материала и касающимся его воздухом, когда разница температур между воздухом и поверхностью материала составляет 1 кельвин.

Тогда как в строительной конструкции тепло передается вследствие теплопроводности, на поверхностях стен теплопередача осуществляется за счет радиации hS и конвекции hK.

Так, например, зимой наружная стена внутри холоднее, чем внутренний воздух, тогда как поверхность стены снаружи теплее наружного воздуха.

Для стен получается:

Внутренняя сторона: hi Ј hK + hS Ј 4 + 4 = 8 Вт/(м2·К).

Наружная сторона: hе Ј hK + hS = 13 + 10 = 23 Вт/(м2·К).

Единица измерения: Вт·с/(с·м2·К) = Вт/(м2·К).

h — heat (англ. тепло).

6. Сопротивление теплообмену R s = Единица: 1/(Вт/м Сопротивление теплообмену зависит от:

температуры воздуха, движения воздуха, характеристик поверхности стены (гладкая — шероховатая), расположения строительной конструкции (горизонтальная — вертикальная), направления теплового потока, конструктивного исполнения строительного элемента (однооболочковый — двухоболочковый).

7. Общий коэффициент теплопередачи U (величина U) Под общим коэффициентом теплопередачи понимается вся транспортировка тепловой энергии от воздушного пространства через строительную конструкцию и снова в соседнее воздушное пространство за ограждающей конструкцией. В формулу общего коэффициента теплопередачи U наряду с сопротивлением теплопередаче R также входят сопротивления теплообмену 1/hi и 1/hе (в СНиП — aв и aн). Общий коэффициент теплопередачи U (величина U) представляет собой важнейшую характеристику строительной физики в теплозащите.

Под общим коэффициентом теплопередачи U понимают такое количество тепловой энергии, которое проходит за секунду (с) через 1 м2 слоя материала толщиной d (в м) в установившемся режиме отопления, если разность температур внутреннего и наружного воздуха составляет 1 кельвин (К).

где U (англ. Unit of heat-transfer) — единица измерения теплопередачи U в Вт/(м2·К); R (англ. resistance) — сопротивление; i — interior — внутри, с внутренней стороны; e — exterior — снаружи, с наружной стороны; s — surface — поверхность.

28 Глава 1. Теплозащита Величину U определяют в стационарных, т.е. лабораторных условиях.

Ее нельзя определять в нестационарных, т.е. в неустановившихся условиях.

Для окон и других видов остекления даются сразу величины U.

8. Общее сопротивление теплопередаче RT (в СНиП — Rо) Величина теплоизоляции (термического сопротивления) конструкции Единица: м2К /Вт.

Эту формулу обычно используют для расчета величины U (RT ® 1/х ® величина U). Эту формулу используют также для получения распределения температур внутри ограждающей конструкции.

9. Коэффициент удельной теплоемкости С Под этим понимают количество тепла, которое необходимо для того, чтобы поднять температуру материала массой 1 кг на 1 кельвин (1 К).

Единица: Вт·с/(кг·К) = джоуль/(кг·К).

10. Коэффициент теплопроницания b Коэффициент теплопроницания дает сведения о том, какое количество тепла (Вт·с) может проникнуть в материал через 1 м2 его поверхности так, чтобы нагреть его на 1 К за время с0,5.

Единица: Дж/(м2·К·с0,5) = Вт·С/(м2·К·с0,5).

где l в Вт/(м·К); r в кг/м3; с в Дж/кг·К.

Большой коэффициент теплопроницания Много тепла проникает в единицу времени в материал и мало тепла остается для нагревания воздуха в помещении.

1 В российской теплофизике и в СНиП II-3-79* аналогичная величина связана с нестационарными условиями теплового режима и включает в себя круговую частоту колебаний температуры на одной из поверхностей ограждающей конструкции. Она называется коэффициентом теплоусвоения материала S (Вт/(м2·°С)).

S= lR r c, где z — период колебаний воздушной среды.

Следствие: помещение нагревается медленно.

Маленький коэффициент теплопроницания Меньше тепла проникает в единицу времени в материал, при этом остается больше тепловой энергии для нагревания воздуха в помещении. Для теплоты полов и, соответственно, для нагревания стен коэффициент теплопроницания имеет решающее значение.

При одинаковой температуре бетонная поверхность ощущается более прохладной, чем деревянная. Для полов этот эффект, вследствие непосредственного контакта с телом человека, особенно заметен.

Таблица 1.1. Расчетные значения удельной теплоемкости с и коэффициента теплопроницания b Например: бетон b = 2,1 2400 100 = 2245 Дж/(м2·К·с0,5).

Дерево b = 0,13 600 2100 = 405 Дж/(м2·К·с0,5).

11. Теплонакопительная способность Q Теплонакопительная способность играет большую роль как для летней, так и для зимней теплозащиты зданий.

Летом конструкции, ограждающие помещение, в течение дня накапливают часть тепловой энергии и отдают ее вечером и в ночные часы в охлаждающийся воздух помещения. Это позволяет избежать так называемого «барачного»

климата.

Теплонакопительная способность тем больше, чем больше поверхностная плотность конструкции (в кг/м2), чем больше величина удельной теплоемкости с, чем больше разность температур между конструкцией и воздухом.

Зимой конструкции, ограждающие помещение, в период работы отопления накапливают тепло и могут отдавать его в воздух помещения при отключении отопления. Кроме того, за счет теплонакопления достигается то, что вблизи стен не возникает ощущение сквозняков и стена может излучать тепло. Таким образом, улучшается самочувствие человека вблизи стены.

Основное требование.

Наружные конструкции Внутренние конструкции высокая теплонакопительная способность Накапливаемая тепловая энергия определяется по формуле:

где m в кг/м2; с в Дж/кг·К; Dq в °С или К.

Единица: Дж/м2.

Согласно DIN 4108 теплонакопительная способность рассчитывается для строительных конструкций толщиной не более 10 см. Правило 10 см учитывает тот факт, что при наружном расположении утеплителя в течение дневного/ночного цикла не вся накопленная энергия стены может перейти в помещение, а лишь то количество тепла, которое накапливается в слое толщиной 10 см, расположенном с более теплой внутренней стороны.

Пример.

Стена толщиной 24 см из пустотелого кирпича r = 1200 кг/м3 имеет в среднем температуру 14 °С. Температура воздуха в помещении составляет 17 °С.

Q = m·c·DQ = 1200 кг/м3·0,10 м·1000 Дж/(кг·К)·3К.

Q = 360000 Дж/м2.

Q = 0,10 кВт·ч/м2.

Tемпература поверхности стены фортных температур в помещении Температура поверхности пола Для полов, вследствие непосредстTемпература пола поверхности пола не должна быть ниже 15—20 °С. Здесь играет роль также проЛедяной помещении.

Согласно рис. 1.20. температура пола пребывание человека в помещении длит- Продолжительность пребывания ся до 3 часов. Затем пол кажется уже Теплонакопительная способность стен1 помещении Теплонакопительная способность играет большую роль как для зимней, так и для летней теплозащиты. Так как способность к накоплению очень сильно завиВнутри сит от плотности, то у тяжелых стен она лучше, чем у легких конструкций. Зимой помещения с большой теплонакопительСнаружи ной способностью при отключении отопления охлаждаются не так быстро, летом избыточная энергия в дневное время может накапливаться для того, чтобы ее отдать в воздух помещения в прохладные ночные часы.

Рис. 1.22 показывает, что мы чувству- внутри малая теплонакопительная ем себя некомфортно, когда температура способность; 2 — слой теплоизоляции снаружи большая теплонаковоздуха падает ниже ­17 °С и, соответстпительная способность.

венно, когда она возрастает выше 26 °С, Эффективность аккумулирования тепнезависимо от относительной влажности ла согласно DIN EN 13786 рассчивоздуха. Далее следует отметить, что с тывается только для слоя, распоувеличением температуры воздуха мы ложенного перед теплоизоляцией с Движение воздуха строительные материалы с величиДвижение воздуха может происходить ной l ј 0,1 Вт/(м·К) через неплотные места в оболочке здания 1 В российской строительной теплотехнике аналогичную роль выполняет понятие о массивности стены, характеризуемой величиной тепловой инерции D. D = R·S, где R — сопротивление теплопередаче; S — коэффициент теплоусвоения.

воздуха j в помещении Tемпература воздуха в помещении Рис. 1.22. Относительная влажность возвнутри конструкции и на температуру духа и ощущение комфорта ний температур теплоизоляции · Штукатурка и каменная кладка служат аккумуляторами тепла.

Температура в помещении значительно ниже, чем наружная температура Значительное уменьшение мальная температура воздуха в помещении сдвинута на 8 часов относительно максимальной температуры наружного воздуха Качество воздуха Для качества воздуха определяющим является содержание углекислого газа (СО2). Высокое содержание СО2 вызывает головную боль, ощущение головокружения, возбуждение, рост артериального давления. Очень высокие концентрации СО2, около 10%, которые встречаются в погребах для брожения, ведут к смерти от отравления. Человек вдыхает в час около 500 л воздуха с содержанием СО2 около 0,03% от объема, а выдыхает этот воздух уже с содержанием СО2 около 4% от объема. При этом он потребляет в час около 33 л О2 и вырабатывает около 25 л СО2.

Количество СО2 в гигиенически безупречных жилых и рабочих помещениях не должно превышать 0,1% от объема воздуха. Чтобы поддерживать эту величину в помещении на человека в час требуется около 30 м3 наружного воздуха, содержание СО2 в котором составляет около 0,03% от объема.

Рис. 1.26. От чего зависит комфорт в помещении 34 Глава 1. Теплозащита 1.2.3. Возможности энергосбережения Земельный участок: — затенение деревьями или прилегающими постройками Ориентация здания: — ориентация плоскости главной крыши на юг Компактность: — A/Ve-соотношение максимально низкое Вид дома — сильно расчлененный фасад или прямые наружные — расположение дома в середине или в конце рядовой застройки, отдельно стоящий дом Вид строения — термическое зонирование в плане: — расположение отапливаемых помещений рядом Теплоизоляция: — влияние на теплопотери через ограждающие конструкции Отопительные — стандартный котел — низкотемпературный косистемы: тел — конденсационный котел Солнечные — активные солнечные установки: плоские или трубустановки: чатые коллекторы Коэффициент энер- — соответствует обратной величине коэффициента гозатрат системы: полезного действия системы Инженерные — вентиляционные системы 1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите Тепловые мостики: — ниши отопительных приборов, кожух для рольставней, балконы, лоджии, примыкания Воздухонепро- — негерметичность, примыкания, швы и стыки ницаемость:

Термостаты: — возможность точного регулирования параметров Бытовые приборы: — использование энергосберегающих бытовых приборов (холодильники, морозильники) Освещение: — использование энергосберегающих источников света 1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение 1.3.1. Расчет для подтверждения выполнения требований по теплозащите согласно DIN Основы подтверждающего расчета согласно DIN 4108 представляют собой таблицы, приведенные ниже. Требования согласно DIN 4108 считаются выполненными в том случае, если для отдельных строительных элементов значение коэффициента сопротивления теплопередаче R получается не ниже указанных значений.

Таблица 1.2. Ориентировочные значения коэффициентов теплообмена согласно В теплозащите Направление теплового потока Во влагозащите щей мебели перед наружной стеной Для предотвращения плесени 1Во внутренних строительных конструкциях для обеих сторон используется значение Rsi. При этом отапливаемое помещение граничит с неотапливаемым помещением.

2При примыкании к твердому веществу (грунт и т.д.) h = или R = 0.

Под горизонтальным понимается направление теплового потока под углом ± 30° к горизонтальной линии или соответственно для наклонных плоских конструкций (крыша) при a ј 60°.

Коэффициенты теплообмена hi или he зависят от направления теплового потока.

Рис. 1.27. Направление теплового потока Примечание. Если изоляция проложена до основания крыши, то вертикальную стенку между скатом кровли и мансардой и соответствующие области перекрытия можно не учитывать.

Таблица 1.4. Теплоизоляция трубопроводов для подачи и распределения горячей воды, а также устройств арматуры 1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите 5 Трубопроводы и арматура согласно строкам 1—4 Половина требований — в области пересечения трубопроводов — в местах соединения трубопроводов — при центральных распределителях трубопроводной сети 6 Трубопроводы центрального отопления согласно строкам Половина требований 1—4, которые были проложены после 31 января 2002 года в строк 1— конструкциях между отапливаемыми помещениями различных пользователей 8 Трубопроводы для распределения и подачи холодной воды, 6 мм а также систем кондиционирования 1Относительно группы теплопроводности 035.

Таблица 1.5. Минимальные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций по DIN 1 Наружные стены, стены эксплуатируемых помещений, отделяю- 1, щие их от помещений в земле, проездов, открытых подъездов, гаражей, от земли 2 Стены между помещениями разных хозяев, межквартирные стены 0, 3.1 На лестничные клетки с температурой значительно ниже температуры в помещениях (Q Ѕ 10 °C) 3.2 На лестничные клетки с температурой Q > 10 °C, как например 0, в административных зданиях, магазинах, учебных зданиях, отелях, ресторанах и жилых зданиях 4 Перекрытия между жилыми этажами, разделяющие квартиры, пе- 0, рекрытия между рабочими помещениями, принадлежащими разным хозяевам, перекрытия под помещениями между складами 4.2 В административных зданиях с центральным отоплением 0, 5 Нижняя граница зданий без подвалов с постоянным пребыванием 0, 5.1 Пол по грунту при глубине помещения до 5 м 6 Чердачные перекрытия в случае холодных чердаков: перекрытия 0, под полупроходными или еще более низкими помещениями; перекрытия между вентилируемыми застрехами кровель и вертикальными стенками мансард, утепленные скатные кровли мансард 7 Перекрытия над подвалами, над закрытыми неотапливаемыми 0, 8 Перекрытия и крыши, которые отделяют эксплуатируемые помещения от наружного воздуха 8.1 Над гаражами (в т.ч. неотапливаемыми), проездами и вентилируемыми полупроходными подпольями 8.2 Под крышами, перекрытиями под террасами, крыши перевер- 1, 1Повышенное значение из-за холодного пола.

Минимальные значения этой таблицы действительны для всех ограждающих конструкций с поверхностной массой минимум 100 кг/м2 и температуры в помещении минимум 19 °С. Минимальные значения действительны также для наиболее неблагоприятных мест.

Требования к отдельным строительным элементам согласно табл. 1.5.

Стены Минимальные параметры теплозащиты должны обеспечиваться в любом месте. Это относится в частности для ниш под окнами, подоконным стенкам, оконным перемычкам, к наружным стенам около отопительных приборов, трубных каналов, особенно если в этих каналах проложены водопроводные трубы. Для двухоболочковых наружных стен с воздушной прослойкой теплоизоляция воздушной прослойки и наружной оболочки считается обеспеченной, если толщина наружной оболочки составляет минимум 90 мм. Это относится также к деревянным конструкциям с преимущественно вентилируемыми оболочками из кладочного камня. Если толщина облицовочной оболочки составляет менее 90 мм, то она рассматривается как обшивка или фасадная плита и поэтому не может использоваться в расчетах, также в расчетах не учитывается воздушная прослойка.

Легкие ограждающие конструкции Для наружных стен, чердачных перекрытий в холодных чердаках и для крыш с поверхностной общей массой менее 100 кг/м2 требуется большая теплозащита R 1,75 м2·К/Вт. В рамных и каркасных сооружениях эти значения справедливы только вблизи перегородок. Для всей ограждающей конструкции в среднем эта величина должна составлять 1,0 м2·К/Вт.

1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите Ограждающие конструкции с утеплителем При расчетах сопротивления теплопередаче R учитываются только слои, расположенные со стороны помещения до утеплителя строительной конструк ции (выше гидроизоляционного слоя под плитами пола или соответственно под оболочкой крыши для плоских крыш).

Исключениями из этого являются (здесь слой теплоизоляции учитывается в расчетах):

— теплоизоляционные слои, которые для крыш перевернутой конструкции расположены на оболочке крыши, — теплоизоляция по периметру (расположенная снаружи теплоизоляция стен здания, контактирующая с грунтом), если она не находится в постоянном контакте с грунтовыми водами. Постоянно присутствующих застойных вод или воды под напором в области теплоизоляционного слоя необходимо избегать.

Окна / остекленные двери Выходящие наружу окна и двери в отапливаемых помещениях необходимо остеклять изоляционным (стеклопакеты) или двойным остеклением.

Если доля непрозрачной части заполнения составляет более 50% от всей площади, то должны быть выполнены требования согласно таблице. Если доля составляет менее 50 %, то сопротивление теплопередаче должно составлять R ј 1,0 м2·К/Вт.

Напольное отопление Для напольного отопления в расчетах учитываются только слои, расположенные под плитой стяжки.

Перекрытия самого верхнего этажа Если для неотделанного чердачного помещения самого верхнего этажа (строка 6) или для легких конструкций выполняются повышенные требования, то теплозащита крыши не требуется.

Вертикальные стены между скатами кровли и мансардой Для отделанных чердачных помещений с вертикальными стенами теплоизоляция между скатами крыши и помещением чердачной мансарды должна быть выполнена до нижнего края крыши.

Стеклянные пристройки Стеклянные пристройки (зимние сады) должны выполнять требования по теплозащите, предъявляемые к ограждающим конструкциям. То же относится к разделительным перегородкам и перекрытиям, к не отапливаемым коридорам, лестничным клеткам и входам в подвальное помещение.

Кожух для рольставней Для карниза, на котором расположен кожух для рольставней, должно соблюдаться значение R ј 0,55 м2·К/Вт, для всего кожуха рольставней R ј ј 1,0 м2·К/Вт.

Здания с низкими температурами внутри помещений Здесь действуют значения согласно таблице 1.5 за исключением строки 1.

В этом случае действует значение R ј 0,55 м2·К/Вт.

40 Глава 1. Теплозащита Стандарт DIN учитывает только строительно-физические величины;

требует соблюдения минимальных значений сопротивления теплопередаче R для различных строительных конструкций, например: наружные стены; разделительные перегородки между отдельными квартирами; стены лестничных клеток; плиты перекрытий; перекрытия над подвалами; перекрытия, отделяющие помещения для пребывания людей от наружного воздуха;

требует выполнения минимальных предписаний по сопротивлению теплопередаче для ниш, оконных перемычек, рольставней. Наилучшим вариантом для этих конструкций было бы соблюдение величин, минимум равных характеристикам остального участка стены;

требует соблюдения требований по теплозащите для разделительных перегородок между зданием и стеклянными пристройками (зимними садами);

требует соблюдения минимальных значений для легких строительных конструкций с массой менее 100 кг/м2;

позволяет распознать слабые с энергетической точки зрения места в конструкции;

защищает строительные материалы и строительные конструкции от слишком больших температурных напряжений (напряжения в результате изменения температуры);

содержит требования по воздухонепроницаемости наружных строительных конструкций;

требует повышенной теплозащиты в области тепловых мостиков при наличии трубопроводов с горячей водой;

требует минимальной теплозащиты также для зданий с низкими температурами внутри помещений;

требует соблюдения в местах примыкания кожухов рольставней к прилегающим конструкциям (стена, окно) минимального температурного коэффициента fRsi ј 0,70.

1.3.2. Среднее значение величины U/R Ограждающая конструкция часто состоит из частей с различными коэффициентами теплопередачи.

Стена: плоскость стены — ниша — откос — окно.

Рис. 1.28. Среднее значение величины U/R 1 Положения стандарта DIN 4108 приведены с целью ознакомить российских специалистов с элементами нормирования сопротивления теплопередаче таких конструкций, которые в российских нормах обычно не учитываются в теплотехнических расчетах. — Прим. ред.

1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите Если требуется рассчитать среднее значение величины U балочного чердачного перекрытия с балками и межбалочным заполнением, то можно вместо площадей нижних плоскостей балок и межбалочного заполнения применять в расчетах только их ширину, т.к. длина этих элементов одинакова.

Для каркасных конструкций с заполнением соотношение площадей деревянной части и заполнения часто выражают в процентах.

Пример 1.

Каркас U1 = 0,54 Вт/(м2·К).

Заполнение каркаса U2 = 0,16 Вт/(м2·К);

42 Глава 1. Теплозащита Толщина стенки 17 см ментов 26% Рис. 1.31. Стена с нишей отопи- Ниша отопительного прибора тельного прибора Известково-гипсовая штукатурка Многопустотные блоки 8–1, Рис. 1.32. Стена Внутренняя штукатурка Ниша отопительного прибора Экструдированный полистирол 5 см WLG Рис. 1.33. Перемычка 1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите Пример 4.

Толщина стены 14 см.

Глина r = 800 кг/м3.

Доля деревянных элементов Общая площадь A = 6,14·3,75 = 23,03 м2.

Доля заполнения А = 16,82 м2.

Деревянная часть Доля заполнения Заполнение Деревянная часть р = 26,96 %.

44 Глава 1. Теплозащита Рис. 1.35. Конструкция крыши Область каркаса U1 = 0,345 Вт/(м2·К).

Область заполнения U2 = 0,345 Вт/(м2·К);

Более точный способ: так как каркас и панели заполнения не занимают целую площадь, сначала определяют средний коэффициент сопротивления теплопередаче. В результате этого Rsi и Rse учитываются в расчетах только один раз.

Однако разность между точным решением и приблизительным решением пренебрежимо мала.

Для определения распределения температуры в такой конструкции можно использовать следующий способ.

Um = 0,20 Вт/(м2·К).

1.3. Расчеты, подтверждающие выполнение требований по теплозащите 1.3.3. Общий энергетический коэффициент пропускания g Окна и остекленные двери являются светопрозрачными конструкциями. Так как они пропускают свет, они пропускают также и тепло, в особенности в форме теплового излучения.

Пропускание энергии оценивается энергетическим коэффициентом пропускания g. Так, например, энергетический коэффициент пропускания, равный 0,7, означает, что через окно проходит 70% падающей на него энергии.

Оптимальные варианты остекления имеют величину Ug = 0,7 Вт/(м2·К) и величину g = 0,6. Пространство между стеклами заполняется инертными газами аргоном или криптоном. Выбор материала покрытия зависит от того, должно ли это стекло выполнять теплоизоляционные или солнцезащитные функции.

Низкие коэффициенты энергетического пропускания требуются:

Этим должен предотвращаться перегрев воздуха в помещении.

Этим должны предотвращаться слишком большие теплопотери.

Это достигается с помощью:

Установки солнцезащитных устройств, таких как маркизы, жалюзи, солнцезащитные перголы и навесы;

Нанесения отражающего слоя на наружное стекло со стороны межстекольного пространства.

Нанесения отражающего слоя на внутреннее стекло со стороны межстекольного пространства.

Рис. 1.36. Нанесение отражающего слоя Рис. 1.37. Нанесение отражающего слоя С помощью нанесения отражающего слоя большая часть поступающей тепловой энергии будет отбрасываться обратно в помещения, т.е. будет отражена и останется в воздухе помещения.

46 Глава 1. Теплозащита Таблица 1.6. Общий энергетический коэффициент пропускания g согласно DIN 1Общие энергетические коэффициенты пропускания g специальных стекол могут быть различны в зависимости от окраски, напыления или обработки поверхностей.

Нанесение отражающего слоя на наружное стекло происходит тогда, когда необходимо обеспечить защиту от слишком сильного солнечного облучения. Нанесение такого слоя на внутреннее стекло необходимо тогда, когда требуется пропускать тепловое излучение снаружи, но отбрасывать тепло внутреннего пространства обратно в помещение.

Таблица 1.7. Коэффициенты Fc, учитывающие уменьшения поступления тепловой энергии в помещение за счет стационарных солнцезащитных 2 Внутренние или расположенные между 2.1 Белые или отражающие поверхности с малым светопропуска- 0, Светло-окрашенные с малым светопропусканием Темная окраска с большим пропусканием Жалюзи, а также материалы с низким светопропусканием 1Солнцезащитное устройство должно быть стационарным, т.е. прочно смонтированным. Декоративные занавески не считаются солнцезащитными устройствами.

2В зависимости от типа СЗУ рекомендуется более точное определение действия этого устройства, т.к. могут быть и более низкие значения. При отсутствии более точных сведений следует применять менее выгодные значения.

3Светопропускание СЗУ ниже 10% считается малым, а выше 30% — высоким.

4Необходимо проверить отсутствие прямого попадания солнечного света на окно. Если это так, то при ориентации на восток или запад b ј 85°, g ј 115°, при ориентации на юг b ј 50°.

1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты согласно постановлению 1.4.1. Постановление об энергосбережении и его связь Реализация потребность Общая потребность в тепловой энергии Рис. 1.38. Теплопотери и теплопоступления 48 Глава 1. Теплозащита Как для учета конструктивных особенностей, так и для инженерно-технических систем предлагаются подробные и упрощенные методы расчетов для подтверждения выполнения требований по теплозащите, эти методы расчета также можно комбинировать между собой.

1.4.2. Область применения постановления Область применения постановления об энергосбережении (EnEV) Для возводимых зданий Для возводимых зданий Изменения в уже а также отапливаемых а также отапливаемых более 4 месяцев в году более 4 месяцев в году посредством санации, Установки и устройства, которые служат для систем отопления, вентиляции, а также для подготовки воды EnEV не распространяется на:

промышленные здания, которые используются преимущественно для разведения или содержания животных, промышленные здания большой площади, которые в течение длительного времени должны оставаться открытыми, подземные строения и постройки, парниковые конструкции и помещения для разведения, размножения и продажи растений, несущие каркасные конструкции, шатры и прочие здания, которые подвергаются неоднократной сборке и разборке, временные здания с запланированным периодом использования до 2 лет, здания, используемые для богослужения или других религиозных целей, жилые здания, которые предназначены для использования в течение менее 4 месяцев в году, производственные здания, которые должны охлаждаться до температуры внутри помещения менее 12 °С или отапливаются в течение менее 4 месяцев в году, а также кондиционируются менее 2 месяцев в году.

Исключения:

памятники строительства, прочие строительные сооружения, если мероприятия по теплозащите ухудшат внешний вид или другие мероприятия потребуют чрезмерно высоких 1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты согласно постановлению об энергосбережении (EnEV) затрат, в этом случае по запросу может быть получено освобождение от выполнения требований EnEV, по запросу административные власти могут освободить от выполнения требований EnEV, если это требует несоизмеримых затрат для собственника или создаст для него слишком жесткие условия. Таким обстоятельством считается тот факт, когда требуемые затраты не окупятся в течение обычного периода использования данной постройки.

Постановление об энергосбережении (EnEV) предоставляет большую свободу при проектировании. Сейчас возможно найти компромисс между стандартами по теплозащите и параметрами инженерных систем.

Например, если фасад по эстетическим причинам не может иметь теплоизоляции, то EnEV позволяет прийти к компромиссу с помощью более эффективных систем отопления.

Архитекторы, проектировщики несущих конструкций, а также инженерных систем уже на стадии предварительного проектирования должны эффективно сотрудничать друг с другом.

Требования EnEV могут быть выполнены:

посредством усиленной теплозащиты, посредством эффективных инженерных систем, посредством использования возобновляемой энергии, с помощью систем рекуперации тепла.

Постановление об энергосбережении предъявляет требования, изложенные в DIN 4701-10, DIN 18599, к следующим инженерным системам:

отопительная техника, вентиляционная техника (искусственная приточная и вытяжная вентиляция, климатехника), система подготовки воды.

Теплота сгорания различных видов топлива Древесные гранулы (пеллеты) 5, 50 Глава 1. Теплозащита 1.4.3. Основные методы расчета согласно постановлению об энергосбережении Строительные мероприятия требований максимально максимально максимально согласно таблице К жилым зданиям относятся: квартиры, дома престарелых и инвалидов, а также им подобные учреждения, клиники. Больницы, наоборот, относятся к нежилым зданиям.

qp (= Qp ) — годовая потребность в первичной энергии, в пересчете на отапливаемую полезную площадь здания.

H T — удельные теплопотери через ограждающие конструкции, или коэффициент теплопотерь через ограждающие конструкции, относительно площади теплопередающей оболочки.

1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты согласно постановлению об энергосбережении (EnEV) 1.4.4. Термины и определения постановления Зона Область здания, средняя температура воздуха в которой отличается минимум на 4 °С от температуры в других частях здания.

Зонирование Расположение теплых помещений внутри, а более холодных снаружи здания.

Границы системы Теплопередающая оболочка образует границы системы. Части здания, которые находятся за пределами отапливаемой области, расположены вне границ системы.

Площадь теплопередающей оболочки А Суммарная площадь всех частей здания, например стен, потолков, полов, чердака и крыши, окон, дверей, которые граничат с наружным воздухом, грунтом или с неотапливаемыми помещениями и передают тепло (отдельные площади определяются по наружным размерам).

Объем брутто Ve Объем брутто Ve — это ограничиваемый теплопередающей оболочкой объем, который определяется по наружным размерам здания, включая возможные слои теплоизоляции и облицовочной оболочки.

Отношение А/Ve Этим отношением выражается компактность, т.е. различные формы здания. Чем меньше отношение А/Ve, то есть отношение площади теплопередающих ограждающих конструкций к отапливаемому объему строения (определяемому по наружным размерам), тем меньше теплопотери.

Вентилируемый объем V Объем воздуха (объем нетто) отапливаемой зоны с регламентируемым воздухообменом, который служит, с одной стороны, для обеспечения гигиены в помещении, а с другой стороны вызывает теплопотери за счет вентиляции и инфильтрации воздуха. Определяется на основе размеров помещения в свету.

Коэффициент энергозатрат системы ep Этот коэффициент выражает отношение потребляемой системой первичной энергии к отдаваемой ей полезной тепловой энергии (отопление, подготовка теплой воды). Коэффициент энергозатрат системы ep также позволяет сравнить друг с другом различные системы с точки зрения эффективности использования первичной энергии. Если используется возобновляемая энергия типа древесных пеллет, тепловых насосов или получаемая с помощью солнечных батарей, значение ep может быть даже меньше 1.

По диаграммам раздела 11.1 также видна взаимосвязь между характеристиками строительных конструкций и инженерно-техническим оборудованием:

чем меньше qh, тем выше может быть ep.

52 Глава 1. Теплозащита Освещение: искусственный свет Охлаждение: холодильные установки Вспомогательная энергия: ток для насосов HE Передача: термостаты отопительных приборов ce Распределение: стояки трубопроводов d Накопление: бойлеры, водонакопители s Производство: котлы, ТН и др. g Теплопотери в доме DIN 4701- Рис. 1.39. Теплопотери в доме Коэффициент энергозатрат системы ep учитывает все составляющие теплопотерь в результате:

энергии • вспомогательной энергии qHE электрический ток для насосов Расход энергии Измеренное количество энергии, которое фактически потребляется зданием.

Потребность в энергии Определяемая расчетным методом величина необходимого количества энергии на основе краевых условий, определенных в соответствующих стандартах и EnEV.

Потребность в тепловой энергии на отопление Qh Количество тепловой энергии, которое должно быть предоставлено отопительными приборами отапливаемому зданию или частям здания для поддержания желаемой температуры в помещениях.

Потребность в тепловой энергии на отопление здания может зависеть от следующих факторов:

географическое положение, соседняя застройка (затенение, ветер), форма здания (сильное или слабое членение), отношение A/Ve, 1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты согласно постановлению об энергосбережении (EnEV) наличие высоких деревьев (затенение), коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций (теплопотери через ограждающие конструкции), общий энергетический коэффициент пропускания энергии остеклением, доля площади окон, ориентация окон относительно сторон света, воздухонепроницаемость здания, пристроенные буферные помещения типа зимних садов, предотвращение образования тепловых мостиков, автоматические вентиляционные установки с рекуперацией тепла, использование солнечных теплопоступлений.

Потребность в тепловой энергии на отопление здания зависит от:

теплопотерь через ограждающие конструкции, теплопотерь за счет вентиляции и инфильтрации воздуха вследствие обмена воздуха из теплого помещения и наружного холодного воздуха через открытые окна, а также через стыки окон, солнечных теплопоступлений в результате солнечной радиации через прозрачные и непрозрачные части конструкции, внутренних теплопоступлений вследствие работы электрических приборов, освещения, присутствия людей.

Общая потребность в энергии Сюда относится общее количество энергии, которое должно быть подведено к зданию для покрытия потребности в тепловой энергии для отопительной системы здания.

Сюда входят потери системы отопления при передаче, распределении тепла, накоплении и генерации тепловой энергии. Эти потери выражаются коэффициентом энергозатрат системы. Малый коэффициент энергозатрат системы характеризует более эффективную отопительную систему.

Коэффициент использования h Коэффициент, выражающий, какая часть теплопоступлений (внутренних Qi, солнечных QS) фактически представляет собой теплопоступления, которые можно использовать повторно.

Теплонакопительная способность Cwirk Способность части конструкций поглощать и накапливать тепловую энергию. Эффективная теплонакопительная способность любой части является той частью общей теплонакопительной способности, которая влияет на потребность в тепловой энергии на отопление и на температуру в помещении. Эффективная теплонакопительная способность влияет на продолжительность отопительного периода и по-разному определяется для лета и для отопительного периода.

Возобновляемые виды энергии Возобновляемая энергия может использоваться для отопления, охлаждения, вентиляции, а также подготовки теплой воды. К возобновляемой энергии относятся:

солнечная энергия (солнечные коллекторы, системы фотовольтаики), 54 Глава 1. Теплозащита тепловая энергия окружающей среды: тепловые насосы вода—вода, тепловые насосы воздух—вода, тепловая энергия земли (тепловые насосы соляной источник — вода), глубинная геотермия, биомасса (твердая, жидкая, газообразная), энергия ветра.

Воспроизводимая энергия:

древесина (щепа, пеллеты), рапс (рапсовое масло).

Вспомогательная энергия Энергия, которая необходима для работы инженерных систем, например регулирующей техники, насосов и др.

Режимы работы отопительной системы Время выключения Отопительная система не работает и поэтому не поставляет тепловую энергию.

Время нагрева Отопительная система включена и отдает тепловую энергию при полной нагрузке.

Редуцированный режим Количество отдаваемой тепловой энергии зависит от температуры наружного воздуха. Отопительная система работает при частичной нагрузке.

Пониженный режим В данном режиме задается пониженная температура по сравнению с заданной температурой, которая выставляется независимо от температуры наружного воздуха.

Этот режим преимущественно используется в ночные часы:

— 7 часов для жилых зданий, — 10 часов для офисных и административных зданий.

Пониженный режим работы или полное отключение отопительной системы позволяют не только сэкономить энергию, но и часто способствуют решению проблем образования влажности, вызывающей образование плесневых грибов.

Количество энергии, которая улетучивается из здания в результате теплопроницания (теплопередачи через ограждающие конструкции) или за счет вентиляции через окна (открытые окна, оконные стыки) и отдается наружному воздуху.

Коэффициент поступления солнечного тепла Определяемая расчетным методом величина для оценки поступления солнечной тепловой энергии через прозрачные строительные конструкции.

Градусо дни Градусо-дни рассчитываются по сумме превышений предельной температуры отопления (10 °С) над среднесуточной температурой по количеству дней отопительного периода.

Предельная температура отопления Под предельной температурой отопления понимают такую температуру наружного воздуха, при превышении которой здание с заданной температурой внутреннего воздуха больше не должно отапливаться, а может обходиться использованием солнечного и внутренних теплопоступлений.

Предельная температура отопления зависит от:

уровня теплоизоляции, солнечных и внутренних теплопоступлений, географического положения здания (базовый регион).

Градусо сутки отопительного периода Gtx/y Представляют собой сумму дневной разности между средней температурой помещения и средней температурой наружного воздуха в течение всего отопительного периода соответствующего базового региона.

Gt — градусо-сутки в К·сут1 в зависимости от базового региона и уровня теплоизоляции здания; x — внутренняя температура; y — предельная температура отопления.

Коэффициент для определения теплопотерь через ограждающие конструкции (QT) и теплопотерь за счет вентиляции и инфильтрации (QV) из удельных теплопотерь HT и HV c учетом базового региона.

FGt = Gt·1 Вт·сут·fNA 1 Вт·сут = 24 Вт·ч = 0,024 кВт·ч fNA — поправочный коэффициент для ограниченного режима работы отопительной системы в ночные часы.

Чем выше уровень теплоизоляции, тем ниже предельная температура отопления. Предельная температура отопления соответствует температуре наружного воздуха примерно 10 °С.

Отопительный период Отопительным периодом называют то время, в течение которого предельная температура отопления выше, чем средняя температура наружного воздуха.

При НР-методе исходят из отопительного периода в 185 дней, что составляет полгода, при этом для данного полугодия в расчетах используются не различные температуры наружного ния.

Отопительный период завиТемпература сит от:

географического положения ней температуры наружного воздуха, ограждающих конструкций здания, 1В российской литературе используется единица измерения °C·сут. — Прим. пер.

56 Глава 1. Теплозащита теплонакопительной способности здания, в частности внутренних конструкций и частей здания, солнечных теплопоступлений через прозрачные и непрозрачные строительные конструкции, параметров воздухообмена, коэффициентов затенения.

Понятия, касающиеся площади, согласно DIN АBGF — площадь, определяемая по наружным размерам здания, включая штукатурку и облицовочную оболочку.

АKGF — площадь поперечного сечения стен, перемычек, дымоходов, полостей систем инженерного оборудования.

АTFF — площадь центральных систем электроснабжения, подачи газа и воды, отопления, подъемно-транспортного оборудования (лифт).

АVF — площадь лестничных клеток, коридоров, проходов.

Обозначения площадей в EnEV 1. Жилая площадь АWF Основой для расчетов является постановление о жилой площади (WF-VO).

Оно используется для определения потребности в тепловой энергии на подготовку горячей воды (см. DIN 18599).

АNF = 1,35·АWF в среднем до 2 жилых этажей;

АNF = 1,2·АWF для прочих зданий.

2. Площадь основания нетто АNGF Используется для определения объема воздуха;

V = АNGF h, где h — высота помещения в свету.

3. Полезная площадь АNF Используется в качестве основы для расчета при расширении и отделке зданий, см. DIN 277, EnEV.

4. Полезная площадь здания АN Представляет собой величину, рассчитанную на основе объема и высоты этажа, см. EnEV Высота этажа hG от OKR до Полезная площадь здания OKR (уровень пола без отделки) Конечная потребность в энергии QE Сюда входит не только общая потребность в энергии на отопление, но и количество энергии, затрачиваемой на подготовку горячей воды, включая потери этих инженерных систем.

Конечная потребность в энергии также включает в себя потребность во вспомогательной энергии для систем регулирования и работы насосов. Конечная энергия представляет собой энергию, которую владелец здания должен использовать для поддержания желаемой температуры в помещениях и подготовки горячей воды и которая подлежит оплате в конечном итоге.

Потребность в первичной энергии Qp Представляет собой количество энергии, которая используется для покрытия конечной потребности в энергии с учетом дополнительного количества энергии, которая не доходит до конечного потребителя из-за процессов, происходящих на предыдущих этапах, например при добыче, преобразовании и распределении соответствующих энергоносителей типа угля, нефти, газа и прочих видов топлива.

Потребность в первичной энергии может использоваться в качестве величины для оценки экологичности и нагрузки на окружающую среду вследствие выброса СО2.

Таблица 1.8. Коэффициенты первичной энергии fp; DIN 19599- 58 Глава 1. Теплозащита Биологическое топливо Биомасло 1Базовой величиной является конечная энергия Hi.

2Доля из объединенной выработки тепловой и электрической энергий минимум 70 %.

В коэффициенте первичной энергии fp учитывается только невозобновляемая часть, которая может повлиять на расчет.

1.4.5. Размеры здания и их использование в EnEv Как отапливаемые и охлаждаемые объемы здания Ve, так и площадь теплопередающей оболочки здания А определяются на основании наружных размеров.

Рис. 1.42. Наружные размеры стены: б — фасадная плита d < 90 мм; в — облицовочная оболочка 115 мм, все слои могут учитываться в расчете согласно DIN 1.4. Подтверждение выполнения требований теплозащиты Рис. 1.45. Размеры по высоте 1.4.6. От конечной энергии QE к первичной энергии Qр Qр = QE,j·fp,j·fu,j, где fp,j — коэффициент первичной энергии энергоносителя; j — соответствующий энергоноситель.

Hs — высшая теплота сгорания (ранее Но) определяет количество полезной энергии топлива и учитывает дополнительно количество энергии в водяных парах, содержащихся в отработанном газе.

конденсационная техника температура отработанных газов лежит ниже температуры конденсации.

Hi — низшая теплота сгорания (ранее Hu) показывает количество полезной энергии топлива без учета количества полезной энергии, содержащейся в водяном паре.

Температура отработанного газа ниже температуры конденсации Неконденсационная техника.

Пример.

1000 л мазута; конденсационная техника.

Решение.

1000 л = 10000 кВт·ч.

Qр = QE,j·fp,j·fu,j = 10000·1,1·1,06 = 11660 кВт·ч.

60 Глава 1. Теплозащита Коэффициенты пересчета в зависимости от энергоносителя электростанций (совместная выработка тепловой и Возобновляемое топливо - 1, электрической энергий) котельных Энергия окружающей Солнечная энергия среды Биогенное топливо Биогаз, биомасло 1Величина относится к доле 70%.

1.4.7. Внутренние теплопоступления Теплопоступления уменьшают потребность в тепловой энергии, которая возникает вследствие передачи тепла через ограждающие конструкции и вентиляции помещения.

Часто можно наблюдать такое явление: перед началом заседания температура в помещении воспринимается как недостаточно комфортная, в то время как через несколько часов в заполненном зале при включенных прожекторах и в присутствии людей многие снимают часть одежды и хочется более прохладного воздуха.

Теплопоступления внутри помещения зависят:

от здания и его использования (жилое или офисное здание), от технического оснащения (машины, приборы), от количества присутствующих людей, от режима работы имеющихся систем и оборудования, от освещения, от характеристик и интенсивности производственного процесса.