В соответствии с практикой эксплуатации производственных объектов, изменение функционального назначения помещений или технологии выпуска продукции часто влечёт за собой несоответствие теплотехнических характеристик наружных ограждений новым условиям теплового баланса [1]. Как показывают натурные обследования, предприниматели зачастую сталкиваются с ситуациями, когда параметры микроклимата (температура, радиационная температура, подвижность воздуха) перестают отвечать требованиям [2, 3].

Подобный случай был выявлен при обследовании одного из промышленных зданий в городе Ульяновске. Исходные параметры микроклимата помещений в нём оказались нарушены из-за двух взаимосвязанных факторов:

  • перехода от централизованного источника теплоты (производственная котельная на территории другого промышленного предприятия) к местному источнику (шесть котлов Sime различной мощности, расположенных внутри здания) [1];
  • изменения вида производственной деятельности — термическая обработка металлоизделий, связанная со значительными теплоизбытками, сейчас заменена на полный цикл производства мебели и фурнитуры, при котором внутренние тепловыделения существенно снижены.

В период, когда в здании производилась термическая обработка металлов, избыточная теплота от технологического оборудования компенсировала трансмиссионные потери и затраты на нагрев инфильтрующегося воздуха, что практически сводило к нулю потребность в работе системы отопления.

После перехода на производство мебели составляющая бытовых (технологических) поступлений резко сократилась. Фактическая температура внутреннего воздуха в холодный период перестала соответствовать категории помещения 3в по ГОСТ 30494–2011 [3]. Как отмечено в [1], одним из вариантов решения данной проблемы является изменение конструктивных слоёв наружных ограждений здания (утепление) с целью повышения сопротивления теплопередаче.

Необходимый тепловой поток для восполнения тепловых потерь [Вт] определяется по формуле:

Q = Qтр + Qинф — Qбыт, (1)

где Qтр — трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции, Вт; Qинф — расход теплоты на нагревание требуемого количества приточного воздуха, Вт; Qбыт — бытовые теплопоступления, Вт.

Обследование ограждающих конструкций

Объектами технологического анализа являлись следующие ограждения здания: наружные стены, кровля, полы по грунту, оконные и дверные проёмы и зенитные фонари. Расчёт фактических значений сопротивлений теплопередаче проведён по методике, изложенной в СП 50.13330.2024 [2].

В качестве примера приведён расчёт фактического сопротивления теплопередаче наружной самонесущей стены, конструкция которой показана на рис. 1.


Рис. 1. Разрез ограждающей конструкции (наружной стены) [1 и 3 — отделочные слои штукатурки (ρ = 1800 кг/м³, λ = 0,93 Вт/(м·°C), δ = 30/30 мм); 2 — кирпичная кладка из сплошного силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе (ρ = 1800 кг/м³, λ = 0,87 Вт/(м·°C), δ = 500 мм)]

Расчёт фактического сопротивления теплопередаче наружной стены [( м²·°C)/Вт] определяется по формуле:

где αв и αн — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, соответственно, Вт/( м²·°C); Ri — сопротивление теплопередаче i-го слоя ограждающей конструкции, ( м²·°C)/Вт:

Так как конструкция наружной стены содержит теплопроводные включения в виде окон и дверей, для корректной оценки теплозащитных свойств дополнительно определено приведённое сопротивление теплопередаче R0пр [( м²·°C)/Вт].

Расчёт приведённого сопротивления теплопередаче ограждения определяется по формуле (3) с учётом коэффициента теплотехнической однородности согласно приложению Г [2]:

R0пр = R0фr, (3)

где r — коэффициент теплотехнической однородности, r = 0,7.

R0пр = 0,8×0,7 = 0,56 ( м²·°C)/Вт.

Аналогичные вычисления выполнены для других наружных ограждений, результаты расчётов сведены в табл. 1.

Определение требуемых сопротивлений теплопередаче

Проведём сравнение фактических значений сопротивления теплопередаче с нормируемыми. Согласно п. 5.2 [2], базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции R0тр [( м²·°C)/Вт], устанавливаются в зависимости от градусо-суток отопительного периода ГСОП [°C·сут.], вычисляемых по формуле:

ГСОП = (tв — tот)zот, (4)

где tв — расчётная температура внутреннего воздуха здания [°C], принимаемая при расчёте ограждающих конструкций групп зданий, указанных в [2]; tот и zот — средняя температура наружного воздуха [°C] и продолжительность [сут/год] отопительного периода, соответственно, принимаемые по [4] для жилых и общественных зданий для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более +8°C.

Обследуемое здание расположено в городе Ульяновске, климатические параметры составляют: tв = 18°C (категория помещения 3в [3]); tот = −4,3°C; zот = 201 сут.;

ГСОП = (18 + 4,3)×201 = 4482,3°C·сут.

По методике СП 50.13330.2024 [2] получено, что требуемое сопротивление теплопередаче для наружной стены составит R0тр = 2,55 ( м²·°C)/Вт.

Аналогичным образом определяем требуемые значения сопротивления для других ограждающих конструкций. Результаты расчётов сведены в табл. 2.

Сравнение фактических и требуемых значений сопротивлений показывает, что большинство имеющихся ограждающих конструкций не удовлетворяет требованиям [2].

Предложения по модернизации конструктивных слоёв

С целью приведения тепловой защиты здания к нормативному уровню предложены следующие мероприятия:

  • утепление наружных стен или замена их на сэндвич-панели;
  • утепление кровли;
  • замена деревянных стеклопакетов на двухкамерные пластиковые;
  • замена старых наружных дверей на более современные.

При обследовании здания было отмечено, что состояние стен неудовлетворительное — имеются места с локальными разрушениями. Восстановление стен потребует дополнительных капитальных и трудовых затрат, а замена их на сэндвич-панели — полного демонтажа стен. Далее выполнено сравнение затрат для поиска оптимального решения.

В качестве теплоизоляционного материала принята минеральная вата производства компании «Технониколь» [5]: коэффициент теплопроводности λиз составляет 0,042 Вт/(м·°C) в условиях эксплуатации Б согласно приложению Д [2]).

Расчёт необходимой толщины ведётся по формуле:

Фактическая толщина принята δфиз = 0,12 м.

Фактическое сопротивление теплопередаче ограждения с утеплителем определяется по формуле (2):

Приведённое сопротивление теплопередаче наружной стены, определяемое по формуле (3), составит R0пр = 2,56 ( м²·°C)/Вт.

Отметим, что условие R0пр ≥ R0тр выполняется: 2,56 > 2,55 ( м²·°C)/Вт.

В качестве альтернативы рассмотрена заводская сэндвич-панель (рис. 2) с толщиной утеплителя (минеральной ваты) 150 мм. Согласно техническим данным [6], фактическое сопротивление составляет R0ф = 3,817 ( м²·°C)/Вт, что также превышает значение требуемого сопротивления.


Рис. 2. Конструкция сэндвич-панели

Технико-экономическое сравнение вариантов

Сравнение капитальных затрат проводится по удельным показателям — затраты на 1 м² ограждающей конструкции. Результаты сведены в табл. 3 и 4.

Сравнение показывает, что замена существующей кирпичной стены на сэндвич-панели позволяет снизить затраты на 22%.

Также стоит отметить, что сэндвич-панель обладает более высоким приведённым сопротивлением теплопередаче, что дополнительно снижает эксплуатационные расходы на отопление в течение всего отопительного периода. Но для предотвращения образования конденсата на внутренних поверхностях стен необходимо предусмотреть приточно-вытяжную вентиляцию с воздухообменом не ниже нормируемого.

Выводы

1. В результате проведённого теплотехнического и экономического анализа установлено, что изменение функционального назначения промышленного здания привело к несоответствию теплозащитных характеристик наружных ограждений требованиям СП 50.13330.2024 [2].

Выявлено, что фактическое приведённое сопротивление теплопередаче наружной стены более чем в четыре раза ниже нормативного — 0,56 против 2,55 ( м²·°C)/Вт.

2. Предложено два варианта приведения конструкции к норме: восстановление стены с утеплением минераловатными плитами либо полная замена кирпичной стены на сэндвич-панели.

Расчёты показали, что вариант с заменой на сэндвич-панели толщиной 150 мм является экономически целесообразным: удельные капитальные затраты снижаются более чем на 20%, а приведённое сопротивление теплопередаче удовлетворяет нормативному уровню. Дополнительным преимуществом можно отметить сокращение эксплуатационных и финансовых расходов на тепловую энергию [7].

Предложенное техническое решение может быть рекомендовано к внедрению при реконструкции аналогичных производственных зданий.