Задача оценки влияния дополнительных потерь теплоты через точечные и линейные неоднородности в конструкциях наружных стен в различных районах строительства для разных групп зданий является весьма актуальной, поскольку подобные подходы к расчёту значительно расширяют возможности по разработке энергосберегающих и одновременно экономически эффективных ограждающих конструкций. Этот вопрос в настоящее время затрагивается в публикациях многих авторов [1–4]. Теоретические предпосылки такого рода расчётов можно найти, в частности, в такой классической работе, как [5], хотя широкое применение они смогли найти только сейчас, в связи с распространением быстродействующих ЭВМ. В последнее время в нашей стране и за рубежом появляется ряд других работ, например, [6–8], где оценка теплопотребности зданий и теплопотерь через их ограждающие конструкции решается несколько в иной плоскости — в первую очередь с учётом динамического режима и текущих теплопоступлений на основе компьютерного моделирования, однако для инженерных расчётов такие модели пока являются достаточно сложными.

Основными нормативными документами РФ, содержащими методику учёта теплотехнических неоднородностей ограждающих конструкций, являются Свод Правил 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий«» (с Изм. №1) [СП 50] и Свод Правил 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей» (с Изм. №1) [СП 230].

Проведём исследование зависимости теплотехнической однородности наружных ограждений жилых зданий от их геометрических характеристик для трёх районов строительства, а именно Москвы, а также Махачкалы и Красноярска, как представителей наиболее северных и южных городов на территории России, поскольку они сильно отличаются по своим климатическим параметрам.

Расчёты проводились для 15 жилых зданий, имеющих различную геометрию и этажность. Их отапливаемый объём находился в пределах от 30 тыс. до 100 тыс. м³. Геометрические параметры (размеры стен, окон, протяжённость линейных и точечных неоднородностей) зданий принимались по существующим строительным чертежам. Целью работы является установление зависимости между коэффициентом теплотехнической однородности наружной стены и геометрическими характеристиками исследуемых объектов, а также количеством градусо-суток отопительного периода для вышеперечисленных городов:

ГСОП = (tв tот)zот,

где tот и zот — соответственно, средняя температура наружного воздуха за отопительный период [°C] и его продолжительность [сут/год], которые принимаются по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*»; tв — средняя температура внутреннего воздуха в здании по ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». В качестве геометрических параметров зданий приняты:

  • расчётный показатель коэффициента компактности здания [м-1], определяемый как Ккомп = Асум/Vот, где Асум — общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций; Vот — отапливаемый объём здания, равный объёму, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений здания, м³;
  • коэффициент сплюснутости Кспл [9, 10], то есть отношение суммы площадей пола над подвалом и покрытия (или чердачного перекрытия) к сумме площадей фасадов (стен с окнами).

В табл. 1 в качестве примера приведены данные вычислений по методике Приложения Е СП 50 для одного из исследованных зданий в городе Москве. Его отапливаемый объём равен 87782 м³, коэффициент сплюснутости — 0,151, а коэффициент компактности — 0,17.

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 1

Аналогичным образом были проведены расчёты и для остальных объектов, результаты которых позволили установить взаимосвязь между величиной r и такими параметрами, как Vот, Ккомп и Кспл. Так же, как и в работах [9, 10], относящихся к общественным зданиям, были построены соответствующие поля корреляции, и на них обозначались линии тренда.

На основании расположения точек на рис. 1 можно отметить, что для Москвы между r и Кспл наблюдается достаточно хорошо выраженная корреляция с коэффициентом 0,59, а между r и Ккомп корреляция несколько меньше и равна 0,56.

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 2

Линейная зависимость r от Кспл приближённо описывается уравнением вида y = 0,95x — 0,42, а для зависимости r от Ккомп формула имеет вид y = 0,25x + 0,04.

В обоих случаях функции являются возрастающими, что несколько отличается от результатов [9, 10], где корреляция r на Ккомп оказалась отрицательной, а r на Кспл — практически отсутствовала. Повидимому, это можно объяснить меньшим разнообразием форм и других конструктивных характеристик жилых зданий по сравнению с общественными, поэтому перечисленные параметры выходят на первый план. На рис. 2 представлено поле корреляции r и Vот, также для климатических условий Москвы. Видно, что в этом случае никакой статистически устойчивой зависимости не наблюдается (коэффициент корреляции всего 0,18).

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 3

Это говорит о том, что отапливаемый объём для рассматриваемой группы зданий практически никак не влияет на величину теплотехнической однородности. Данный результат подтверждает выводы, сделанные ранее в работах [9, 10].

Такие же расчёты были проведены и для климатических условий Красноярска и Махачкалы. По их результатам были получены соответствующие корреляционные зависимости, а также средние значения величины r для всей группы исследуемых зданий, что позволило установить его связь с основной характеристикой наружного климата — параметром ГСОП. Соответствующее поле корреляции и линия тренда представлены на рис. 3. Она очень хорошо аппроксимируется зависимостью вида y = 3,18×10–5x + 0,862.

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 4

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что коэффициент теплотехнической однородности будет иметь меньшее значение в северных городах, соответственно, необходимая толщина утеплителя будет расти быстрее, чем требуемое сопротивление теплопередаче исходя из ГСОП, что можно объяснить тем, что в северных широтах повышается относительная доля тепловой проводимости точечных и линейных элементов в конструкции стены.

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 5

Представляет интерес также связь числовых коэффициентов А и B линий тренда для наиболее выраженной корреляции r и Кспл с климатическими параметрами района строительства, определяемыми величиной ГСОП. В табл. 2 представлены полученные по результатам расчётов значения А и B для климатических условий городов, использованных в работе. Аналогичным образом находим их связь с ГСОП, графически изображённую на рис. 4. Соответствующие уравнения, описывающие эти зависимости: для коэффициента А:y = −0,0001x + 1,47; для коэффициента B:y = 0,0001x — 0,95.

Зависимость теплотехнической однородности наружных стен жилых зданий от их геометрических характеристик и климатических параметров. 3/2020. Фото 6

При этом по сравнению с Москвой связь r и Кспл будет менее значима в более северных районах, откуда следует, что в этом случае коэффициент сплюснутости меньше влияет на величину коэффициента теплотехнической однородности.

Таким образом, в развитие работ [9, 10], в которых был сделан вывод о том, что определяющим геометрическим параметром, оказывающим наибольшее влияние на теплотехническую однородность наружных ограждений здания, служит именно коэффициент компактности, можно сделать вывод, что для жилых зданий и коэффициент сплюснутости также заметно влияет на величину r. Полученные зависимости имеют достаточно простой вид и пригодны для оценочных расчётов в практике проектирования.