География, климат и энергопотребление

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №6, 2017г.

Введение

Энергопотребление зданий зависит от большого количества факторов: от площади проектируемого здания, его строительного объема, компактности, остекленности фасадов и их ориентации по сторонам света, уровня теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, наличия теплопроводных включений в их составе, герметичности наружной оболочки, оснащенности здания приборами учета потребляемых энергоресурсов, эффективности инженерного оборудования, степени его автоматизации, качества управления и даже поведения жильцов [1–7]. Зависит энергопотребление и от климатических характеристик района проектирования и строительства. При прочих равных условиях энергопотребление зданий будет тем выше, чем в более холодном климате расположено здание.

В этой связи при проектировании зданий в регионах с более холодным климатом нормами предусмотрено некоторое повышение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций:

Rтр = a∙ГСОП + b, (1)

где a, b – коэффициенты, значение которых следует определять по данным таблицы 3 СП 50.13330 для соответствующих групп зданий и типов ограждающих конструкций;

ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С·сут.

При этом градусо-сутки отопительного периода (далее – ГСОП) рассчитываются по формуле:

ГСОП = (tв – tот)∙zот, (2)

где tв – расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

tот, zот – средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут/год, отопительного периода соответственно.

Из соотношения (2) следует, что ГСОП зависят не только от продолжительности отопительного периода, но и от разности температур внутреннего и наружного воздуха. А от величины ГСОП зависит уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций проектируемого здания: чем больше ГСОП, тем выше требуемые значения сопротивлений теплопередаче. Тем самым для районов с более холодным климатом частично компенсируются потери тепла через ограждения, обу­словленные более высокой разностью температур внутреннего и наружного воздуха. Чем выше сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, тем меньшими будут потери тепла через оболочку и тем меньше потребуется подвести к зданию тепловой энергии для компенсации потерь. Таким образом, градусо-сутки отопительного периода являются основной климатической характеристикой района строительства при расчете ограждающих конструкций.

Температура внутреннего воздуха

В соответствии с требованиями п. 5.2 СП 50.13330 при расчете ограждающих конструкций в качестве температуры внутреннего воздуха tв принимается минимальное значение оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494 (в интервале 20–22 °С). Оптимальные и допустимые нормы температуры внутреннего воздуха применительно для жилых помещений и для холодного периода показаны в табл. 1.

Таблица 1

Оптимальные и допустимые нормы температуры в жилых комнатах для холодного периода года

Наименование помещения Температура воздуха tв, °С
оптимальная допустимая
Жилая комната 20–22 18–24
Жилая комната в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31 °С и ниже 21–23 20–24

Таким образом, при проектировании жилых зданий в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) выше минус 31 °С численное значение температуры внутреннего воздуха tв в формуле (2) следует принимать равным плюс 20 °С, при проектировании жилых зданий в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31 °С и ниже – плюс 21 °С.

Параметры отопительного периода

Различают следующие характеристики отопительного периода:

– продолжительность zот;

– средняя температура наружного воздуха tот,

которые при проектировании жилых и некоторых типов общественных зданий (за исключением лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых) принимаются по своду правил СП 131.13330 для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 °С.

Градусо-сутки отопительного периода

В рамках данного исследования рассчитаны градусо-сутки отопительного периода применительно для всех населенных пунктов, представленных в таблице 3.1* СП 131.13330. Из данных, представленных в таблице 3.1* СП 131.13330, следует:

1) всего в таблице представлены данные по 465 населенным пунктам, включая 7 населенных пунктов, расположенных на территории Крыма (Ай-Петри, Керчь, Клепинино, Севастополь, Симферополь, Феодосия, Ялта) и добавленных в рассматриваемый Свод правил в 2015 году;

2) в список населенных пунктов включены все 15 городов с численностью населения более 1 миллиона жителей, расположенных на территории Российской Федерации;

3) полный анализ распределения представленных в СП 131.13330 населенных пунктов по численности населения показан в табл. 2 и на рис. 1;

Рис.2 Диаграмма распределения населенных пунктов, указанных в таблице 3.1*СП 131.13330, в зависимости от численности населения

Таблица 2

Распределение населенных пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, по численности населения

Численность населения, чел Количество населенных пунктов
Менее 1000 131
1 000–9 999 128
10 000–49 999 84
50 000–99 999 28
100 000–499 999 59
500 000–1 млн 20
Более 1 млн 15
ИТОГО 465

Примечание. Численность населения указанных в СП 131.13330 населенных пунктов, принятая по данным Росстата [8] на 01.01.2016 г.

4) из общего перечня населенных пунктов, представленных в таблице 3.1* СП 131.13330, выявлены 54, по которым отсутствуют сведения о наличии и количестве проживающего в них населения;

5) большинство населенных пунктов с количеством жителей 0 расположены в районах Крайнего Севера и представляют собой метеостанции;

6) некоторые метеостанции в открытых источниках указаны, как законсервированные, например, Хоседа-Хард (Ненецкий АО), Березово (Чукотский АО);

7) ряд таких населенных пунктов относится к затопленным территориям, например, Кежма (Богучанское вдхр.), Туой-Хая (вдхр. Вилюйской ГЭС), Илимск (Усть-Илимсккое вдхр.);

8) ряд поселков заброшены или упразднены, например, Аркагала (Магаданская обл.), Борковская (Архангельская обл.), Дружина (Республика Саха), Погиби (Сахалинская обл.) и др.;

9) некоторые представляют собой вахтовые поселки (Варандей – Ненецкий АО) или нефтебазы (Джарджан – Республика Саха);

10) населенный пункт Костычевка на территории Волгоградской области не выявлен;

11) по некоторым населенным пунктам количество зарегистрированных в них жителей

12) областной центр Кировской области в Своде правил указан как Вятка (название г. Кирова до 1457 и с 1780 по 1934 годы);

13) самое низкое значение ГСОП, рассчитанное по формуле (2), оказалось равным 1260 °С∙сут (г. Сочи), самое высокое (12994 °С∙сут) – мыс Челюскин (Таймырский АО);

14) в табл. 3 представленны данные для пяти населенных пунктов с самими низкими значениями ГСОП и пяти – с самыми высокими;

Из населенных пунктов, указанных в нижней части табл. 3, достоверные сведения о постоянно проживающем населении обнаружены только для двух (Верхоянск, Саскылах).

Таблица 3

Населенные пункты с экстремальными значениями ГСОП

Наименование населенного пункта zот, сут
Населенные пункты с наиболее низкими численными значениями zот
Сочи 94
Ялта 126
Севастополь 136
Дербент 138
Феодосия 142
Населенные пункты с наиболее высокими численными значениями zот
Варандей 323
Ходовариха 330
Юкспор 340
Марресаля 365
Мыс Челюскин 365

15) в табл. 4 представлены данные для населенных пунктов с экстремальными (самыми высокими и самыми низкими) значениями продолжительности отопительного периода, табл. 5 – средней температуры наружного воздуха за отопительный период, в табл. 6 – температуры воздуха наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92), принимаемой в качестве расчетной при проектировании отопления зданий.

Таблица 4

Населенные пункты с экстремальными значениями z

Наименование населенного пункта ГСОП, °С·сут
Населенные пункты с наиболее низкими численными значениями ГСОП
Сочи 1260
Ялта 1877
Севастополь 2081
Дербент 2249
Феодосия 2357
Населенные пункты с наиболее высокими численными значениями ГСОП
Саскылах 12412
Верхоянск 12512
Иэма 12819
Оймякон 12853
Мыс Челюскин 12994

Таблица 5

Населенные пункты с экстремальными значениями t

Наименование населенного пункта tот, °С
Населенные пункты с наиболее низкими численными значениями tот
Оймякон минус 25,4
Верхоянск минус ٢٥,0
Усть-Мома минус ٢4,1
Нера минус ٢3,8
Томпо минус ٢3,3
Населенные пункты с наиболее высокими численными значениями tот
Феодосия 3,4
Дербент 3,7
Севастополь 4,7
Ялта 5,1
Сочи 6,6

Таблица 6

Населенные пункты с экстримальными значениями t

Наименование населенного пункта tн, °С
Населенные пункты с наиболее низкими численными значениями tн
Оймякон минус 59
Сухана минус 59
Верхоянск минус 58
Нера минус ٥8
Екючю минус ٥8
Населенные пункты с наиболее высокими численными значениями tн
Севастополь минус 11
Дербент минус 9
Красная Поляна минус 9
Ялта минус 6
Сочи минус 2

Из представленных данных видно, что за небольшим исключением, данные табл. 4–6 коррелируют с данными, представленными в табл. 3.

16) среднее арифметическое значение ГСОП, рассчитанное по формуле:

составило 7158 °С·сут.

Однако рассчитанное таким образом значение ГСОП нельзя считать объективным по отношению ко всей территории Российской Федерации. Например, все 15 городов-миллионников расположены в районах с ГСОП от 3337 °С∙сут (Ростов-на-Дону) до 6454 °С∙сут (Красноярск). Распределение населенных пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП, представлено в табл. 7 и на рис. 2.

Рис.2 Диаграмма распределения населенных пунктов, указанных в таблице 3.1*СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП

Таблица 7

Распределение населенных пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП

Диапазон ГСОП, °С·сут Количество населенных пунктов
Менее 2000 2
2001–3000 11
3001–4000 20
4001–5000 39
5001–6000 69
6001–7000 98
7001–8000 83
8001–9000 51
9001–10000 34
10001–11000 21
11001–12000 26
более 12000 11
ИТОГО 465

Из данных, представленных на рис. 2, следует, что большинство населенных пунктов из числа тех, что указаны в Своде правил, расположены в диапазоне ГСОП от 6000 до 7000 °С∙сут. Однако такое распределение нельзя признать показательным. Например, только 3 города с населением более 1 миллиона человек (Омск, Красноярск, Новосибирск) попадают в указанный диапазон ГСОП. Более интересно показать распределение не количества населенных пунктов в зависимости от ГСОП (диапазона ГСОП), а процентное соотношение проживающих в них граждан, приняв общую для указанных в таблице 3.1* СП 131.13330 населенных пунктов численность населения за 100 %. Такое распределение представлено в табл. 8 и графически показано на рис. 3.

Рис.3 Диаграмма распределения доли граждан, проживающих в населенных пунктах, указанных в таблице 3.1*СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП

Из данных, представленных на рис. 3, видно, что основная доля населения страны сосредоточена в районах с ГСОП 4000–5000 °С·сут с последующим резким уменьшением процентной доли населения. По этой причине более точную оценку усредненного для всей территории страны ГСОП будет показывать не среднее арифметическое значение (ГСОПср.арифм), а так называемое среднее взвешенное (ГСОПср.взвеш), рассчитанное с учетом численности населения, проживающего в искомых населенных пунктах.

Таблица 8

Распределение доли граждан, проживающих в населенных пунктах, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, в зависимости от диапазона ГСОП

Диапазон ГСОП, °С·сут Процент населения
Менее 2000 0,82
2001–3000 4,22
3001–4000 8,24
4001–5000 39,58
5001–6000 23,89
6001–7000 17,60
7001–8000 4,04
8001–9000 0,45
9001–10000 0,51
10001–11000 0,59
11001–12000 0,04
более 12000 0,02
ИТОГО 100,00

17) средневзвешенное значение ГСОП, рассчитанное по формуле:

где

 – суммарная численность населения пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, по данным [1], составило 5106 °С·сут;

Полученное средневзвешенное значение ГСОП также нельзя считать истинным для всей территории России, т.к. в СП 131.13330 приведены далеко не все населенные пункты страны. Кроме того, общая численность населенных пунктов, представленных в таблице 3.1* СП 131.13330, составляет, по данным Росстата [8], 65,4 млн человек, т.е. примерно 45 % общей численности населения страны. Однако оно все же более объективно, т.к. согласно указаниям п. 2.1 СП 131.13330 в случае отсутствия в таблице для какого-либо населенного пункта значений климатических параметров их следует принимать равными значениям климатических параметров ближайшего к нему пункта, приведенного в таблице и расположенного в местности с аналогичными условиями. Это означает, что представленные в таблице 3.1* СП 131.13330 климатические параметры являются актуальными для всех или практически всех населенных пунктов, расположенных на территории Российской Федерации.

18) населенные пункты, климатические параметры которых рассчитаны за период наблюдений до 2010 года, отмечены в таблице 3.1* индексом «*». По остальным населенным пунктам (не отмеченным индексом «*») климатические параметры совпадают с данными, представленными в предыдущей редакции стандарта (СНиП 23-01-99*), т.е. они не являются актуализированными. Всего в текущей редакции СП 131.13330 актуализированными оказались данные по 225 населенным пунктам.

19) для многих населенных пунктов, данные по которым были актуализированы в СП 131.13330, ГСОП оказывается выше по сравнению с предыдущей редакцией стандарта.

Например, для города Москвы (для периода со средней суточной температурой воздуха ≤ 8 °С, по которому определяются ГСОП для жилых зданий, общественных зданий, гостиниц и общежитий):

– в редакции СНиП 23-01-99* (предыдущая редакция):

ГСОП = (20 – (–3,1))∙214 = 4943,4 (°С∙сут);

– в редакции СП 131.13330 (актуализированная редакция):

ГСОП = (20 – (–2,2))∙205 = 4551 (°С∙сут),

т.е. в новой (актуализированной) редакции стандарта по строительной климатологии ГСОП оказываются ниже, чем в предыдущей редакции.

При этом для населенных пунктов, расположенных на территории Московской области и также указанных в таблице 3.1* СП 131.13330 (Дмитров, Кашира), климатические параметры остались неизменными, т.к. данные по ним в СП 131.13330 не были актуализированы.

Соответственно, нормативные требования по тепловой защите для зданий, расположенных в Москве, после актуализации СП 131.13330 понизились, а для зданий, расположенных в Московской области, остались неизменными.

Выводы

Всего в таблице 3.1* СП 131.13330 представлены климатические параметры по 465 наименованиям населенных пунктов или метеостанций.

При обзоре данных Свода правил СП 131.13330 выявлено, что некоторые населенные пункты, указанные в таблицах СП, в настоящее время не обнаруживаются на карте Российской Федерации, некоторые – официально упразднены (ликвидированы), некоторые – заброшены, три населенных пункта – затоплены. Ряд указанных в таблице 3.1* пунктов представляют собой метеостанции и не являются населенными. Для одного крупного областного города в таблице указано устаревшее название. Таким образом, данные, представленные в таблице 3.1* СП 131.13330, требуют корректировки и уточнения.

Расчетные значения градусо-суток отопительного периода для всей территории страны характеризуются значительным разбросом. Наименьшее значение ГСОП получено 1260 °С∙сут (г. Сочи), наибольшее – 12994 °С∙сут (мыс Челюскин).

Наибольшее количество населенных пунктов (98) из общего их числа (465), представленного в таблице 3.1* СП 131.13330, сосредоточены в районах с ГСОП от 6000 до 7000 °С∙сут. Однако в районах с указанным диапазоном ГСОП проживают только 17,6 % граждан из числа всех, которые зарегистрированы в населенных пунктах, указанных в СП 131.13330.

Среднее арифметическое значение ГСОП для населенных пунктов, указанных в таблице 3.1* СП 131.13330, составило 7158 °С·сут. Однако, ввиду значительной неравномерности расселения граждан на территории страны, более объективным усредненным показателем ГСОП является среднее взвешенное его значение, рассчитанное с учетом численности населения в указанных населенных пунктах, которое составляет 5106 °С·сут.