Тепловая инерция зданий: методы расчета, факторы влияния и практическая значимость

Г. П. Васильев, д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения и вентиляции НИУ МГСУ, главный научный сотрудник лаборатории «Инновационные технологии энергоэффективности» ФГБУ «НИИСФ РААСН»

С. В. Саргсян, канд. техн. наук, и. о. заведующего кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции НИУ МГСУ

В. А. Личман, канд. физ.-мат. наук, начальник экспертно-методического отдела ГБУ «Мосстройразвитие», старший научный сотрудник ООО «ИЦ «ИНСОЛАР»

В. Ф. Горнов, директор проектного отделения ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», заведующий лабораторией «Инновационные технологии энергоэффективности» ФГБУ «НИИСФ РААСН»

А. Н. Дмитриев, д-р техн. наук, проф. кафедры «Управление проектами и программами Капитал Групп» РЭУ им. Г.В. Плеханова

М. В. Колесова, зам. генерального директора по устойчивому развитию ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», старший научный сотрудник лаборатории «Инновационные технологии энергоэффективности» ФГБУ «НИИСФ РААСН»

В. А. Лесков, генеральный директор ООО «ИНСОЛАР-ЭНЕРГО», старший научный сотрудник лаборатории «Инновационные технологии энергоэффективности» ФГБУ «НИИСФ РААСН»

А. С. Стронгин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией ФГБУ «НИИСФ РААСН»

Е. В. Абрамова, д-р техн. наук, главный научный сотрудник ФГБУ «НИИСФ РААСН»

Cтроительным конструкциям зданий, наряду с прочими их характеристиками, присуще такое свойство, как тепловая инерция, то есть способность объекта сохранять тепло и задерживать его передачу в окружающую среду, определяющее скорость, с которой температура объекта выравнивается температурой окружения. Одним из первых в истории отечественного строительства эту характеристику применительно к ограждающим конструкциям зданий применил К. Ф. Фокин в своей работе [1], вышедшей в 1933 году.

В настоящее время тема использования тепловой инерции в строительстве переживает новую волну интереса. В связи с растущим количеством и увеличивающимся разнообразием вариантов применения возобновляемых источников энергии, а также переходом к устойчивым решениям в области энергоснабжения зданий возрастает и потребность в решениях по накоплению, сохранению и использованию тепла в зданиях. Одним из путей удовлетворения данной потребности и является использование для целей накопления тепла самих строительных конструкций зданий.

Обзор действующей нормативно-правовой базы

Правовую основу нормирования теплового комфорта и энергопотребления зданий в РФ составляют федеральные законы и технические регламенты. Базовыми документами являются федеральные законы № 384-ФЗ и № 261-ФЗ, которые создали предпосылки для обновления строительных норм и стандартов в части повышения теплозащиты зданий и учета тепловой инерции как фактора снижения энергопотребления.

В Российской Федерации тепловая инерция зданий регламентируется СП 50.13330, согласно которому тепловую инерцию конструкции следует определять по формуле (1) (см. Формулы). Тепловая инерция строительной конструкции проявляется в ситуации, когда происходит изменение температуры как минимум на одной из ее поверхностей. При этом коэффициент теплоусвоения s дает представление о потенциале конструкции поглощать тепло при возникновении описанной ситуации. Рассчитывается он по формуле (2).

Отечественная нормативная база предъявляет строгие требования к теплоизоляции зданий и предусматривает учет тепловой инерции на стадии проектирования. Ключевые документы СП 50.13330 и ГОСТ 30494 обеспечивают достижение двух взаимосвязанных целей: минимизации теплопотерь (через нормирование сопротивления теплопередаче) и поддержания температурного режима внутри помещений (через установление разрешенного диапазона температур).

В практическом плане тепловая инерция оказывается чрезвычайно важна при расчете остывания помещений здания, например при возникновении аварийных ситуаций в системах отопления. Отечественные нормативы в такой ситуации не допускают понижения температуры воздуха в помещении в течение регламентированного времени, отведенного на устранение аварии, ниже определенного минимального уровня. Данное требование содержится в нескольких действующих документах, но сформулировано в них по-разному, и числовые значения в них также разнятся:

• в соответствии с постановлением Правительства РФ № 354 требуется, чтобы температура воздуха в жилых помещениях в течение 16 ч с момента прекращения подачи тепла не опускалась от нормативной ниже 12 °C;
• в СП 124.13330 для потребителей теплоты второй категории по надежности теплоснабжения (допускающих снижение температуры в отапливаемых помещениях на период ликвидации аварии), к которым отнесены жилые и общественные здания, разрешается понижение температуры до тех же 12 °С, но время ликвидации аварии установлено значительно большее – до 54 ч;
• СП 60.13330 устанавливает более высокие требования для жилых помещений, в которых не допускается снижение температуры воздуха ниже 15 °С;
• СП 253.1325800 содержит комбинацию наиболее строгих требований, и помимо ограничения минимальной температуры внутреннего воздуха величиной 15 °С допускает понижение температуры воздуха до указанного значения в течение не более 54 ч.

Важно упомянуть, что, согласно СП 253.1325800, при отсутствии в высотном здании потребителей первой категории возможна организация теплоснабжения без резервного ввода тепловых сетей. Получается, что у девелопера может появиться механизм оптимизации затрат на строительство за счет выбора из вариантов конструкции здания с меньшей тепловой инерцией, но с организацией резервного ввода тепловой сети, и варианта с повышенной тепловой инерцией и отказом от устройства резервного ввода.

Методы расчета

При проведении практических вычислений для определения значения температуры t_В(τ) в требуемый момент времени после отключения подачи тепла в здание или помещение наиболее часто пользуются формулой (3), предложенной Е. Я. Соколовым в работе [2], и зависимостью В. Н. Богословского в [3], в которой вместо коэффициента β используется темп охлаждения α = 1/β. То есть коэффициент аккумуляции β (см. формулу (4)) и темп охлаждения a взаимосвязаны и характеризуют, хотя и с очевидными отличиями, тепловую инерционность. Теплоемкость С_{1/2,н с} определяется половиной толщины δ, м, внутреннего слоя наружной стены – по формуле (5) [3].

Ю. В. Кононович в [4] предлагает помимо рассмотрения внешних ограждений при расчете коэффициента аккумуляции учитывать также и наличие внутренних стен, перекрытий и перегородок. Кроме того, в его расчете учитывается поступление воздуха через неплотности окон и за счет воздухопроницаемости наружных ограждений (см. формулу (6)).

Влияние количества инфильтрующегося в здание воздуха рассматривалось О. Д. Самариным в [5, 6]. Показано, что при снижении внутренней температуры уменьшается перепад давлений снаружи и внутри здания, за счет чего сокращается количество попадающего с улицы в здание воздуха. В результате такого сокращения притока холодного воздуха падение внутренней температуры происходит менее интенсивно.

Авторами [7, 8] разработана методика расчета остывания высотного здания с высокой степенью остекленности, которое определяется по формуле (7). Данный подход отличает от ранее рассмотренных учет сохраняющихся в здании источников тепла даже в аварийной ситуации. В качестве таких источников могут помимо системы отопления также рассматриваться люди, находящиеся в здании, работающее оборудование, резервные источники тепла. Источники могут быть и внешними, такими как солнечная радиация, проникающая в помещения через светопрозрачные наружные ограждения и способствующая сохранению внутренней температуры.

Фактор влияния теплоаккумулирующей способности внутренних конструкций, отделки, мебели и т. д. на тепловую инерцию зданий также имеет не последнее значение. В [9] рассматривается влияние внутренней тепловой массы (это произведение массы объекта на его теплоемкость) на тепловую инерцию. Согласно выводам авторов, внутренняя масса может составлять до 40 % от общей эффективной теплоемкости здания, особенно в легких конструкциях.

Инерционные свойства крупных зданий обычно выше, чем у малых, поскольку абсолютная масса больше. Заметно и влияние остекления, поскольку солнечные лучи, проходящие через окна, нагревают внутренние поверхности. На инерцию зданий влияет даже тип системы отопления: при теплых полах эффект тепловой инерции проявляется сильнее.

Выводы

Влияние таких факторов, как внутреннее наполнение (мебель, отделка), резервные источники тепла, вентиляция, остекление, может быть весьма существенным, но не нахо­дит отражения в нормативных способах определения тепловой инерции.

В практическом плане тепловая инерция влияет на выполнение нормативных требований безопасности, а именно на поддержание регламентированного уровня температур внутри отапливаемых помещений в периоды внезапного прекращения подачи тепла, вызванного, в частности, авариями на источниках и сетях теплоснабжения.

Для повышения степени инерционности наружных ограждений в целях поддержания температуры на требуемом уровне при перерывах в подаче тепла наиболее теплоинерционные материалы целесообразно размещать со стороны помещения.

При помощи управления параметрами тепловой инерции возможно оптимизировать технико-экономические показатели строительного проекта: в частности, в некоторых случаях отказаться от организации резервного ввода тепловой сети в высотное здание.

В настоящее время отсутствует утвержденная методика оценки тепловой инерции зданий, позволившая бы проводить соответствующие расчеты и служившая бы достаточным основанием для подтверждения обоснованности принятых технических и проектных решений, в том числе и в органах экспертизы.

Литература

1. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: Госстройиздат, 1933.
   
2. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. М.: МЭИ, 2001.
   
3. Богословский В. Н., Сканави А. Н. Отопление. М.: Стройиздат, 1991.
   
4. Кононович Ю. В. Тепловой режим зданий массовой застройки. М.: Стройиздат, 1986.
   
5. Самарин О. Д. Расчет остывания помещений здания в аварийных режимах при переменной температуре наружного воздуха // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 1. С. 77–83.
   
6. Самарин О. Д. Расчет остывания помещений здания в аварийных режимах для обеспечения надежности их теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 4. С. 496–501.
   
7. Gorshkov, R., Nemova, D., Andreeva, D., Cherkashin, A. Thermal balance of the high-rise building with translucent modular glazing // Construction of Unique Buildings and Structures. 2023. 109. Article No 10905.
   
8. Н. В. Варламов, А. С. Горшков, Ю. В. Юферев и др. Теплоаккумулирующая способность здания башни многофункционального комплекса «Лахта центр» // Теплоэнергетика. 2023. № 1. С. 40–49.
9. Johra, Hicham, Heiselberg, Per. Influence of internal thermal mass on the indoor thermal dynamics and integration of phase change materials in furniture for building energy storage: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. № 69.