Теплозащита помещения и здания

Требования по повышению тепловой эффективности зданий становятся одними из важных составляющих законодательства в большинстве стран мира. Такие требования рассматриваются с точки зрения безопасности, охраны окружающей среды - как средства обеспечения рационального использования невозобновляемых природных энергетических ресурсов и сокращения выделений двуокиси углерода и вредных веществ в атмосферу, снабжения продовольствием народонаселения страны.
Утвержденные строительные нормы и правила развивают требования к тепловой защите зданий в целях снижения потребности энергии на поддержание оптимальных параметров микроклимата в помещениях. Эти требования гармонизированы с требованиями аналогичных зарубежных норм для развитых стран.
В данном обзоре сохранилось противоречие предыдущих СНиП, что окна (будь то пластиковые, деревянные или алюминиевые) с рекомендованной воздухопроницаемостью в зданиях с естественной вентиляцией не обеспечивают необходимый санитарно-гигиенический воздухообмен. Давайте сделаем простые анализ и расчет.
Основной принцип естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий - воздух в квартиры поступает через неплотности оконных заполнений. Однако из-за возрастания городского шума и запыленности наружного воздуха стремились понизить воздухопроницаемость окон. Требования к воздухопроницаемости окон на уровне 1-го этажа жилого дома в разные годы изменялись следующим образом:

• 1971 г. - G_н = 18 кг/(м²oч);
• 1979 г. - G_н = 10 кг/(м²oч);
• 1998-2003 гг. - G_н = 5-6 кг/(м²oч).

Рассмотрим, например, двухкомнатную квартиру общей площадью F_общ=75м², площадью жилых комнат F_жил=40м², объемом V=200м³, количество проживающих жителей N=3 чел., количество окон - 3 шт., общая площадь окон SF_ок=8м².
 Расчет воздухообмена по притоку дает следующие результаты:

• L_{(по кратности)} = Vo0,35 = 200o0,35 = 70 м³/ч;
• L_{(по нормативу)} = 30oN = 30o3 = 90 м³/ч.

Расчет воздухообмена по вытяжке дает следующие результаты:

• L_{(по вытяжке)} = L_кухни + L_ванной + L_{туалета} = 60 + 25 + 25 = 110 м³/ч.

Следовательно, требуемый воздухообмен составляет L = 110 м³/ч, и тогда через 1 м² окна должно поступать:
    G = 110 / 8 = 14 кг/(м²oч).
Таким образом, нормы 1971 года (нормируемая воздухопроницаемость G_н = 18 кг/[м²oч]) позволяли обеспечить требуемый воздухообмен, а нормы 1979 года и последующих лет не позволяют этого.
Выход из этого такой: использовать окна с приточными клапанами, устраивать приточные отверстия в стенах или устраивать систему механической приточной вентиляции. Указанное обстоятельство должно найти отражение в СНиП "Отопление, вентиляция и кондиционирование".
СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" содержит новые показатели энергетической эффективности зданий - удельную потребность в тепловой энергии на отопление за отопительный период. В 70-е годы прошлого века были разработаны и включены в нормативные документы удельные тепловые характеристики для жилых зданий. Эти характеристики включали в себя потери тепла через наружные ограждающие конструкции за счет теплопередачи и потери тепла за счет нагрева инфильтрующегося наружного воздуха, определенные в расчетных условиях, отнесенные к 1 м² отапливаемой площади здания. Введение в нормативные документы такой характеристики для жилых зданий было обусловлено требованиями политики энергосбережения и было направлено на повышение теплозащитных показателей наружных ограждающих конструкций.
Но основная задача энергосбережения - это сокращение затрат топлива на отопление и вентиляцию здания при обеспечении комфортных условий в отапливаемых помещениях. А это достигается не только за счет утепления здания, но и за счет применения оптимальных объемно-планировочных решений (как известно, ширококорпусные здания меньше теряют тепла), рациональной ориентации здания по сторонам света, эффективной системы автоматического регулирования подачи тепла на отопление и решений, уменьшающих расход тепла на нагрев вентиляционного воздуха.
Стимулировать применение всех этих решений позволяет переход на нормирование удельной потребности в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период. При этом более точно требуется определять инфильтрационную составляющую теплопотерь, теплопоступления в здание от солнечной радиации и с внутренними тепловыделениями. В представленном материале делается попытка повысить уровень этих вычислений.
Краеугольный вопрос - минимизация потребности тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха. В жилом здании эта задача сравнительно легко решается из-за того, что при современных герметичных окнах в зданиях до 25 этажей величина нормируемого воздухообмена для обеспечения комфортной воздушной среды в квартире даже на уровне 1-го этажа превышает объем инфильтрующегося воздуха через неплотности наружных ограждений в расчетных условиях. Соответственно, в условиях отличных от расчетных и на других этажах при естественной вытяжной вентиляции объем инфильтрующегося воздуха будет еще ниже, поэтому в качестве расчетной величины воздухообмена во всех квартирах здания принимается нормируемый вентиляционный воздухообмен независимо от погодных условий, и переменной будет инфильтрация через ограждения лестничной клетки, лифтовых холлов и входных вестибюлей.
Для общественных зданий трудность связана с тем, что в зависимости от их технологического назначения существенно различается величина воздухообмена. В нерабочее время количество инфильтрующегося воздуха через окна, витражи и входные наружные двери будет обусловлено действием гравитационного и ветрового напоров, причем следует учитывать еще разные величины этих напоров с наветренной и заветренной стороны и величину условно-постоянного давления в здании.
Имея желание все-таки ввести в нормативный документ удельную тепловую характеристику для общественных зданий, с целью оценки их теплозащитных показателей, авторы предложили: задать в зависимости от назначения здания минимальную, условную (поскольку на все здание, а не на отдельные его помещения) норму воздухообмена на 1 м² расчетной площади в рабочее время, используя рекомендации стандартов. Например, 4 м³/(чoм²) - для помещений офисов, объектов сервисного обслуживания, 5 м³/(чoм²) - для учреждений здравоохранения и образования и 6 м³/(чoм²) - для спортивно-зрелищных и детских дошкольных учреждений. Здесь принят принцип нормирования не по кратности объему здания, а по отнесению воздухообмена к площади, которая более правильно определяет рабочую зону, где располагаются люди. В нерабочее время допускается принимать количество инфильтрующегося воздуха в объеме полукратного воздухообмена и затем складывать его с объемом приточного воздуха в рабочее время с учетом количества рабочих часов в течение недели (уточнение объема инфильтрации в общественных зданиях в нерабочее время задача СНиП "Отопление и вентиляция").
Следует иметь в виду, что определенная таким образом удельная потребность в тепловой энергии на отопление является условной величиной, не отражает истинных значений и введена в нормы только с целью оценки теплозащиты здания. Если при таком воздухообмене удельное теплопотребление здания будет в пределах тех нормативов, которые впервые приводятся в СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита здания" для общественных зданий в зависимости от их назначения, - теплозащита здания выбрана правильно. Если нет - следует усиливать теплозащиту. Практика может откорректировать нормируемые значения, но в любом случае у проектировщика есть выход - СНиП позволяет при желании остановиться на предписывающем подходе - соответствии требуемому приведенному сопротивлению теплопередаче каждого отдельного элемента ограждающей конструкции здания. 
Безусловно, изложенный выше прием не является бесспорным, но, с другой стороны, он открывает путь к нормированию потребления тепловой энергии на вентиляцию общественных зданий. Более логичным было бы нормирование удельной потребности в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период при значении воздухообмена, равном нулю. Не секрет, что есть проекты, где расход тепла на вентиляцию превышает в несколько раз расход тепла на отопление, что не всегда оправдано. Чтобы снизить его, можно применять более эффективные системы вентиляции методом вытеснения, специального душирования, с переменным расходом приточного воздуха, следует чаще применять энергоэкономичные решения утилизации тепла вытяжного воздуха или тепловых выбросов для нагрева приточного воздуха, использовать тепловые насосы и др., но нередко заказчик говорит при этом "нет", это усложняет эксплуатацию, и пусть расход тепла будет больше, но жизнь проще.
Конечно, это не государственный, а сиюминутный подход, и его можно ограничить нормируя потребление тепла на вентиляцию. Это выполняется следующим образом: после того как проверена теплозащита общественного здания, вместо заданного воздухообмена подставляется проектное значение расхода приточного воздуха и вновь определяется удельное потребление тепловой энергии на отопление и вентиляцию.
Если при этом полученная величина более чем на 10-15 % превышает нормируемую, вывод один - необходимо снижать энергопотребление на вентиляцию, но это уже прерогатива СНиП "Отопление, вентиляция и кондиционирование". Такие же ограничения надо разработать на потребление электроэнергии, требуемой для охлаждения кондиционируемого воздуха, ибо жарким летом 2009 года в Ставрополе впервые летний максимум энергопотребления превысил зимний. Но это уже, как говорится, совсем другая история.