НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЗДАНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
УЗБЕКИСТАНА
д.т.н., проф. С.А. ХОДЖАЕВ, докторант А.А. ЯКУБОВ
(ТАСУ)
Аннотация.
В статье отмечается, что основной научно-технической политики в области повышения
энергоэффективности зданий и сооружений является создание научно-обоснованной нормативно-
методологической базы их проектирования и строительства. Приводятся сведения об очередном этапе ее
совершенствования и повышения научно-технического уровня.
Annotatsiya:
Бино ва иншоатларнинг энергия самарадорлигини ошириш сохасида илмий-техник
сиёсатини асоси деб, мақолада, уларни лойихалаш ва кўриш норматив-методологик базасини яратилиши қайд
этилган. Унинг илмий-техник савиясини такомиллаштириш ва ошириш навбатдаги босқичи хақида
маълумотлар келтирилган.
Abstract:
The article notes that the main scientific and technical policy in the field of energy efficiency of buildings
and structures is to create a scientifically sound regulatory and methodological framework for their design and
construction. Data on the next stage of its improvement and increase of scientific and technical level are given.
Ключевые слова:
энергоэффективность зданий, строительные нормы, научно-технический уровень,
направления совершенствования, уровень теплозашиты, сопроптивление теплопередаче, теплоустойчивость,
нормативные требования, ячеистый бетон, полистиролбетон.
Введение.
В прошлом веке считалось, что энергоресурсов (нефти, газа и др.)
достаточно для обеспечения нормальных условий пребывания в зданиях различного
назначения. Нормы проектирования были ориентированы на всемерную экономию
материальных и финансовых затрат на строительство, а уменьшению расхода энергии при
эксплуатации зданий уделялось недостаточное внимание. К настоящему времени ситуация в
мире резко изменилась. Вопросы снижения энергопотребления и выбросов в атмосферу СО
2
,
экономии топливно-энергетических ресурсов приобрели большую актуальность. Поэтому в
большинстве стран мира научно-техническая и социально-экономическая политика
направлены на всемерное применение эффективных теплоизоляционных материалов (ЭТМ),
эффективных инженерных систем и оборудования, в том числе по использованию ВИЭ, учету
климатических особенностей при размещении зданий и выборе их объемно-планировочных
решений, повышения заинтересованности в энергосбережении всех слоев общества.
Учитывая важность энергосбережения и эффективного использования энергии для
развития экономики, начиная с 1997 года в нашей стране неоднократно принимались меры по
обновлению
нормативной
базы
проектирования,
направленной
на
повышение
энергоэффективных зданий.
Таким образом основой научно-технической политики в области повышения
энергоэффективности и обеспечения существенного энергосбережения в жилищно-
гражданском секторе экономики страны, является создание и внедрение научно-
обоснованной, реальной в применении, нормативно-методологической базы их
проектирования и строительства. Важность этого направления в реализации
энергосберегающей политики страны обусловлено тем, что из всей потребляемой энергии в
стране львиная доля (около 50 %) приходится на здания и сооружения, на создание
необходимых санитарно-гигиенических условий и микроклимата в них.
Методика.
Одним из эффективных мер в повышении энергоэффективности и
снижения энергопотребления зданий и сооружений является увеличение их теплозащиты
[1,2]. Поэтому во многих странах мира систематически ужесточались требования норм к
теплозащите ограждающих конструкций. Наибольших успехов в энергосбережении
достигнуто в странах ЕС благодаря системной научно-технической политике [2]. Минимально
допустимые величины сопротивления теплопередаче для наружных стен и крыш в
зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) к 2017 году составили [3] при:
1492-3391 ГСОП - 2,0-4,5 и 2,35-6,02 (м
2
·
0
С)/Вт соответственно (Австрия, Англия,
Бельгия, Болгария, Венгрия, Германия, Испания, Италия, Нидерланды, Франция, Греция и
др.);
3532-5912 ГСОП – 4,5-5,88 и 6,02-11,11 (м
2
·
0
С)/Вт (Дания, Латвия, Литва, Норвегия,
Польша, Финляндия, Чехия и др.).
Требования к теплозащите зданий стали повышаться и в странах СНГ. На сегодня
минимально допустимые величины R
тр
0
, м
2
·
0
С/Вт для наружных стен и покрытий, чердачных
перекрытий составили при ГСПО:
2000-4000; 6000-12000 – 2,1-2,8; 3,5-5,6 и 3,2-4,2; 5,2-8,2(2,8-3,7;4,6-7,3 для чер.перекр.)
соответственно Россия [5], Казахстан [7] и Таджикистан [8]);
2700-3700 – 3,2-6,0 Беларусь [6];
2500-6800 – 3,12 и 4,0-5,0 Кыргызстан [9];
1000-3000 –1,8-2,5 и 2,4-3,4 Туркменистан [10].
В нашей стране требования норм по теплозащите также как в других странах мира
повышались поэтапно и в 2018 году минимально допустимые величины для жилищно-
гражданских зданий в соответствии с КМК 2.01.04-18 [11] составили при ГСПО до
2000÷свыше 3000:
по первому уровню для стен - R
тр
0
=1,12-2,0 (м
2
·
0
С)/Вт, покрытий и чердачных
перекрытий - R
тр
0
=2,0-3,4 (м
2
·
0
С)/Вт;
по второму уровню, обязательному для объектов, строящихся за счет госкапвложений
- R
тр
0
=1,6-2,6 и 2,6-3,8(м
2
·
0
С)/Вт соответственно.
При этом нормы, введенные в 2011 году, повышены в 1,5-2 раза для первого уровня и
на 15-20 % для второго уровня.
Обсуждение результатов.
Таким образом действующие строительные нормы [11]
позволяют обеспечить существенное снижение расхода энергии на отопление (до 50 %) за счет
применения эффективных теплоизоляционных материалов (ЭТМ). В то же время в нашем
климате повышение теплозащиты за счет применения ЭТМ не всегда дает адекватное
снижение расхода энергии при летнем перегреве. Наш климат [12] характеризуются
продолжительным жарким летом со средней максимальной температурой наиболее жаркого
месяца 31-39
0
С, и величиной максимальной солнечной радиации (прямой / рассеянной),
поступающей в июле в зависимости от широты местности при безоблачном небе:
на горизонтальную поверхность от 809/140 до 754/130 Вт/м
2
;
на вертикальную южной ориентации от 216/106 до 328/115 Вт/м
2
;
то же восточной и западной – от 531/180 до 581/177 Вт/м
2
.
Для летних условий увеличение сопротивления теплопередаче является необходимым,
но недостаточным условием для исключения перегрева и обеспечения энергоэффективности
зданий [13]. Теплоустойчивость ограждающей конструкции в летних условиях зависит от её
массивности, характеризуемой показателем ее тепловой инерции D, которая для однородного
ограждения определяется [11] как произведение ее термического сопротивления R на
коэффициент теплоусвоения
s
материала ограждения
,
и является величиной безразмерной
D=R·s
(1)
К легким ограждающим конструкциям относятся ограждения с D≤4, средней
массивности - 4<D<7, массивным - D≥7 [11]. Легкие ограждения обладают малой
теплоустойчивостью. Многолетние исследования и натурные наблюдения ТашЗНИИЭП,
проведенные в условиях Средней Азии, показали, что в сборных крупнопанельных домах
с легкими ограждающими конструкциями (стены, чердачные перекрытия, бесчердачные
покрытия) в летних условиях наблюдался существенный перегрев помещений,
характеризуемый большими амплитудами колебания температуры на внутренней
поверхности ограждающих конструкций. Поэтому в соответствии с [11] в районах со
среднемесячной температурой июля 21
о
С и выше, то есть практически по всей
территории Республики Узбекистан, необходимо осуществлять проверку амплитуды
колебаний температуры внутренней поверхности
A
в
,
о
С ограждающих конструкций с
тепловой инерцией менее 4, которая не должна быть более требуемой амплитуды A
тр
,
о
С, определяемой по формуле
A
тр
= 2,5 – 0,1(
t
н
– 21) , (2)
где
t
н
– среднемесячная температура наружного воздуха за июль,
о
С [12].
Как следует из КМК 2.01.04-18, только для легких ограждающих конструкций
необходимо проверять их теплоустойчивость. Поэтому, КМК 2.01.04-2018 дополнены
требованиями по обеспечению теплоустойчивости ограждающих конструкций в условиях
летнего перегрева. Они заключаются в ограничении применения легких ограждающих
конструкций по показателю тепловой инерции D<4, и в рекомендациях преимущественного
применения ограждающих конструкций со средней массивностью (4<D<7) или массивных
(D>7). Соблюдение этих рекомендаций позволит существенно уменьшить расход
электрической энергии на кондиционирование (охлаждение) зданий в жаркие периоды года,
который по эквивалентной величине сегодня уже равен или превышает в наших
климатических условиях расход энергии по зиме.
Таким образом в наших климатических условиях обеспечение необходимых
теплозащиты зимой и теплоустойчивости летом требует изменения известных
принципиальных подходов к проектированию ограждающих конструкций в части назначения
свойств и выбора материалов.
Проанализируем характер зависимости теплотехнических показателей
R
и
D
от
теплофизических свойств материалов ограждающих конструкций. В соответствии с [11]
термическое сопротивление
R, м
2
о
С / Вт
, слоя многослойной конструкции, а также
однородной однослойной ограждающих конструкции, следует определять по формуле
λ
δ
R
, (3)
где:
- толщина слоя, м;
- расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя,
Вт/(м
о
С), принимаемый по приложению 1 [11].
Коэффициент теплоусвоения (при периоде 24 ч.) материала конструкции вычисляется
по формуле
s = 0,27
√𝝀𝜸
𝟎
(с
𝟎
+ 𝟎, 𝟎𝟒𝟏𝟗𝒘),
(5)
где:
γ
0
– плотность материала в сухом состоянии, кг/м
3
;
с
0
– удельная теплоемкость с сухого
состояния материала, кДж/(кг
0
С);
w
– расчетное массовое отношение влаги в материале.
Подставим значения
R
и
s
в формулу (1). При этом формула (1) приобретает следующий
вид
D =
𝜹
𝝀
𝟎. 𝟐𝟕√𝝀𝜸
𝟎
(с
𝟎
+ 𝟎, 𝟎𝟒𝟏𝟗𝒘),
(5)
Из структуры формул (3) и (5) видно, что
R
и
D
находятся в прямой зависимости от
толщины
δ
ограждения. Поэтому ее можно не рассматривать и принять постоянной (δ=0,4 м
)
.
Но вот от величины λ
и
плотности материала они находятся не в однозначной зависимости.
Так
R
в зависимости от
λ
находится
в
обратно пропорциональной, а
D –
сложной
многофакторной. Учитывая то, что плотность находится в тесной корреляционной связи с λ
,
s
и другим показателями материалов [11], она является их интегральной характеристикой.
Поэтому с практической точки зрения целесообразно
D
и R рассматривать в зависимости от
плотности материалов.
Проведенные расчеты и построение зависимостей (рис.1)
D = f (γ
0
)
показали, что они
для каждого вида материала (минвата, тяжелый, легкий и ячеистый бетоны и др.), близки к
прямолинейной. Если их объединить в одну линию, то получится зависимость близкая к
параболической с явно выраженной оптимальной областью величин плотности,
соответствующих максимальным величинам
D
.
Примечательным является то, что для минераловатных плит(D=4,3-6,2), легких бетонов
на пористых заполнителях (D=5,25-6,35)
D
в зависимости от плотности имеют заметные
отличия, а для ячеистых - не столь существенные (D=5,9-6,2).
При этом наиболее эффективными являются полистиролбетон с γ0= 400-600кг/м3,
ячеистые бетоны с γ0= 400-800кг/м3 и керамзитобетон крупнопористой структуры с γ0=
600-800кг/м3. При равной плотности полистиролбетону свойствены большие показатели R и
D. Следует отметить, что тепловая инерция для ячеистых бетонов значимо не зависит от
плотности, изменяющейся в достаточно широких пределах (300-1000кг/м3). Это объясняется
видимо оптимальным сочетанием R и s.
D R, (м
2
·
О
С)/Вт
Рис.1. Зависимость тепловой инерции D и термического сопротивления R
однослойной ограждающей конструкции от плотности γ0 различных материалов:
1-
D, 1-R - тяжелый бетон; 2-D, 2-R – кирпичная кладка; 3-D, 3-R – керамзитобетон; 4-D, 4-R
ячеистый бетон; 5-D, 5-R – пенополистиролбетон; 6-D, 6-R – вермикулитобетон; 7-D, 7-R –
минераловатные плиты.
Зависимость же
R
=
f (γ
0
)
является классической гиперболической для всех
материалов и может быть объединена в одну закономерную кривую. При этом для
обеспечения необходимой теплозащиты [11] однослойных ограждений плотность материалов
не должна превышать 800 кг/м
3
. При назначении свойств и выборе материалов для
ограждающих конструкций по зимним и летним условиям необходимо учитывать эти
особенности и применять наиболее эффективные материалы или их сочетания.
Вместе с тем, как показывает анализ [13] современной практики проектирования
ограждающих конструкций энергоэффективных жилищно-гражданских зданий, в проектах
уделяются внимание лишь обеспечению теплозащиты по зимним условиям за счет утепления
ограждающих конструкций, а летние практически не учитываются. Следует отметить, что
такой подход оправдан не во всех конструктивных системах зданий. Так утеплением
минераловатными плитами зданий с кирпичными стенами толщиной в 1,5 кирпича
1-D
2-D
2-R
3-D
6-D
6-R
5-D
5-R
4-D
4-R
7-D
7-R
1-R
3-R
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
γо, кг/м3
обеспечиваются достаточные величины как их теплозащиты (R=1,6 м
2
·
0
С/Вт), так и тепловой
инерции (D>6). В крупнопанельных же 9-ти этажных жилых домах (рис. 2) с наружными
трехслойными панелями с эффективным утеплителем R=1,62 (м
2
·
0
С)/Вт, а D=3,2 <4, что не
обеспечивает требуемую теплоустойчивость в условиях летнего перегрева. Для этого толщину
минераловатных плит следует увеличить до 15 см.
Аналогичная картина наблюдается и при строительстве высотных каркасно-стеновых
безригельных систем жилых домов (рис. 2) в «Алмазар сити» [14]. Стены (R
0
=1,31 (м
2
·
0
С)/Вт,
D=3.0) этих домов выполнены из монолитного железобетона толщиной 20 см, утепленного
минераловатными плитами толщиной всего 7 см, далее штукатурный слой толщиной 3 см из
цементно-песчаного раствора. Остекленные на всю высоту этажа оконные проемы
обуславливают как большие теплопотери, так и летний перегрев. В промежутках между
остеклением стены выполнены из кирпичной кладки толщиной всего 12,5 см, утепленные
также минераловатными плитами толщиной 7 см, защищенными штукатурным слоем (R
0
=1,39
(м
2
·
0
С)/Вт, а D=2,77). Таким образом по теплозащите наружные стены соответствуют
требованиям устаревших норм [5], а по тепловой инерции не обеспечивают исключение
перегрева в летних условиях. Так в работе [15] установлено, что стеновые ограждения даже
средней массивности с D=4÷5 не всегда обеспечивают исключение перегрева помещений.
Отсюда следует вывод о том, что эти здания будут характеризоваться большими расходами
тепловой энергии зимой и, в особенности, электрической на кондиционирование помещений
летом. Даже увеличение толщины минераловатной плиты до 10 см, обеспечив
удовлетворительное значение R=1,97 (м
2
·
0
С)/Вт, тепловую инерцию повысит всего до D=3,31,
а необходимо хотя бы D>4.
Рис.2. Строительство высотных жилых домов каркасно-стеновых безригельных
систем в «Алмазар сити» и крупнопанельных домов на массиве «Янги Алмазар» в
Ташкенте.
Для удовлетворения теплотехнических требований [11] по зимним и летним условиям
необходимо выбирать в многослойных конструкциях материалы несущего и
теплоизолирующего слоев с оптимальным сочетанием свойств, а в однослойных –
оптимальной плотностью, обеспечивающей удовлетворительное сочетание R и D ограждений.
Расчетный анализ применения различных стеновых материалов (кирпич, тяжелый
бетон, утепленные ЭТМ, бетоны на пористых заполнителях, ячеистые бетоны) показал, что
оптимальной плотностью в пределах 400-800 кг/м
3
обладают ячеистые бетоны (газобетон,
пенобетон), а также пенополистиролбетон. Так расчеты показали, что стены из газо- или
пенобетонных блоков толщиной 40 см и плотностью 400, 600, 800 кг/м
3
будут иметь R=3,06;
2,02 и 1,41 (м
2
·
0
С)/Вт, а D=6,63; 6,48 и 6,34. Как видно из представленных данных, ячеистый
бетон с γ
0
=400 кг/м
3
обладает самыми высокими теплотехническими показателями, с γ
0
=600
кг/м
3
– достаточными, а с γ
0
=800 кг/м
3
– несколько не дотягивает до требований по теплозащите
[11]. При этом во всех случаях D>6.
Вместе с тем стены из ячеистых бетонов, обладая оптимальным сочетанием
D
и
R,
имеют склонность к накоплению влаги во влажные сезоны года, что приводит к снижению
теплозащиты наружных ограждающих конструкций. Применение в полистиролбетоне в
качестве пористого заполнителя вспененных гранул полистирола практически исключает
влагонакопление. Для обеспечения наилучшего сочетания теплотехнических и физико-
механических свойств полистиролбетона эффективным является разработка технологии,
позволяющей получать легкие бетоны плотной слитной структуры с оптимальным сочетанием
достаточной прочности и малой плотности.
Другим перспективным направлением исследований является поиск местных сырьевых
материалов для получения особо легких и прочных искусственных пористых заполнителей, а
также технологии легких бетонов на их основе. Как нам представляется исследование и
разработка таких пористых заполнителей, структуры, свойств и технологии особо легких
бетонов, обладающих достаточно высокой прочностью при малой плотности открывает
большие перспективы их эффективного применения как в каркасном, так и в монолитном
строительстве энергоэффективных сейсмостойких современных жилищно-гражданских
зданий.
Заключение.
Введение принципиально новых подходов к проектированию
ограждающих конструкций зданий с повышенной теплозащитой позволит не только
существенно снизить расход энергии и улучшить экологию, но и также открывает
возможность снижения их собственной массы за счет использования ячеистых и легких
бетонов.. Это, в свою очередь, даст возможность в определенной мере снизить сейсмическую
нагрузку на здания. Привычная традиционная кирпичная кладка стен в 1,5 и даже в 2 кирпича
сегодня уже не отвечает современным требованиям как энергосбережения, так и
сейсмостойкого строительства.
Таким образом, введение повышенных требований к теплозащите и теплоустойчивости
наружных ограждающих конструкций требует проведения исследований и разработки
принципиально новых подходов к выбору и проектированию конструктивных систем
жилищно-гражданских зданий, их ограждающих конструкций с одновременным
обеспечением требований энергоэффективного и сейсмостойкого строительства.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Матросов Ю.А. Современное состояние нормативной базы энергоэффективности зданий в России/studliles.net
28.08.2013.
2.
Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of
buildings (recast)// Official Journal of the European Communities – 2010, L153.-P.13-35.
3.
Implementing the Energy Performance of Buildings Directive (EPBD).Featuring Country Reports, 2016.
4.
U-Values for Better Energy Performance of Buildings/Report established by ECOFYS for EURIMA, 2006.
5.
Свод правил СП 50.13330.2012. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий. Актуализированная
редакция/Министерство регионального развития Российской Федерации. -М.-2012.».
6.
ТКП 45-2.04-43-2006 Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования/Министерство
архитектуры и строительства Республики Белорусь.
7.
СН РК 2.04-21-2004 Энергопотребление и тепловая защита гражданских зданий.
8.
МСН-24-101-2011 Тепловая защита зданий.
9.
Положение о порядке проведения энергетической сертификации зданий. Приложение 1 Кыргызстан, 2011.
10.
СНТ 2.03.01-2016 Строительная теплотехника.
11.
КМК 2.01.04-2018 Строительная теплотехника/Минстрой РУз.-Ташкент, 2018.-50с.
12.
КМК 2.01.01-94 Климатические и физико-геологические данные для проектирования. -Ташкент, 1994. -28с.
13.
Ходжаев С.А. Современные проблемы строительства энергоэффективных зданий в сейсмических
районах//Архитектура и строительство Узбекистана. -2019.-№ 5. – С.28-31.
14.
Ходжаев С.А., Хакимов Ш.А., Ходжаев С.А. Современные конструктивные системы жилищно-гражданских
зданий, проблемы их сейсмической безопасности и энергоэффективности//Архитектура. Строительство.
Дизайн. -2020.-№ 1. С. 48-52.
15.Угрюмов Е.И. Исследование теплоустойчивости наружных стен жилых зданий в Узбекистане
/Строительство и архитектура Узбекистана. -1966.-№8.
