Н.Г. ВОЛКОВА (НИИСФ РААСН). АДАПТАЦИЯ...

Климатические перемены и нормирование параметров Человечество стоит на пороге больших перемен, включая климатические. Изменение климата постоянно усложняет задачи, стоящие перед учеными, проектировщиками и специалистами строительной отрасли. Согласно Пятому оценочному МГЭИК, в XXI в. средняя глобальная температура будет повышаться при всех сценариях радиационного воздействия. Перед строителями постоянно возникают задачи стратегического и тактического характера. Достижения строительной индустрии во многом обусловлены адекватной оценкой климатической ситуации, обеспечивающей защиту человека от отрицательных воздействий внешней среды. Изменяющиеся погодные условия и связанный с ними рост опасных явлений (ОЯ) усложняют монтаж и эксплуатацию зданий. Во избежание дополнительных трудностей на стадии проектирования теплозащиты зданий, выбора оборудования, разработки систем обеспечения микроклимата зданий и энергосберегающих мероприятий применяют современные климатические нормативы, закрепленные в своде правил СП 131.13330. «Строительная климатология. Актуализированная редакция. СНиП 230199*». В течение многих десятилетий прошлого столетия климат на территории АДАПТАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА К КЛИМАТИЧЕСКИМ КАЧЕЛЯМ Н.Г. ВОЛКОВА, Научноисследовательский институт строительной физики РААСН РФ обладал определенной устойчивостью, что позволило в строительной практике использовать понятие климатической нормы, относительно которой можно наглядно оценивать изменения метеорологических параметров. Климатические нормативы представляют вероятностные значения, характеризуя возможность появления данной величины в течение рассматриваемого расчетного периода и применяются для проектирования теплозащиты зданий с целью поддержания внутренней среды зданий, зависящей от характера наружных воздействий. Метеорологические характеристики устойчивого климатического периода надолго закрепились в ряде строительных норм [1]. С высокой степенью вероятности сюрпризы погоды будут продолжаться в виде различных аномалий, увеличивающих напряжение при принятии стратегических решений в строительстве. Анализ данных средних годовых аномалий температуры приземного воздуха в 2019 г. и величин осадков для территории РФ по отношению к норме 196190 гг. показал, что наибольший рост температуры наблюдался в Центральном федеральном округе РФ
– более 2,5°С. В то время, как значительный избыток осадков в процентах от нормы
– в СевероЗападном федеральном округе РФ
– более 30 % [2]. На рис. 1 показана динамика количества всех метеорологических ОЯ за период с 1998 по 2019 гг. Ситуация более чем серьезна. Во избежание опасных явлений (ОЯ) и катастроф, необходим поиск оптимальных решений, как в строительстве, так и текущих жизненных и производственных ситуациях. Современная реальность свидетельствует о том, что учет климатических перемен в аспекте глобального потепления следует осуществлять с большой осторожностью. В 2020 году разработана очередная редакция свода правил СП 131.13330. «Строительная климатология. Актуализированная редакция. СНиП 230199*». Климатические нормативы, приведенные в этом документе, вполне соответствуют современным реалиям. Для всех пунктов, входящих в состав СП климатические параметры рассчитаны за период 19662018 гг. Упорядочен список субъектов Российской Федерации в соответствии с перечнем на 1 января 2020 г. В свод правил СП 131.13330 (предполагаемая публикация в 2021) внесены разработанные дополнительные метеорологические характеристики тёплого периода года. Методики разработки климатических нормативов для строительной отрасли, в основном, ориентированы на суточные значения климатических параметров. Характеристики наружной среды получили регламентацию в строительных нормах и отражены в ГОСТах. Период климатических перемен в последние годы стирает грани между сезонами, увеличивая также температурные различия между дневным и ночным временем. На территории РФ уходящее время охарактеризовано ярко выраженными сезонными различиями погоды: зима, лето, весна, осень. Такие изменения погоды облегчали адаптацию к ней как населения, так и эксплуатацию инженерных систем. Изменяющийся климат, урбанизация и связанные с нею экологические проблемы вызывают необходимость постоянного совершенствования применяемой в строительной отрасли климатической информации. Возросшая климатическая изменчивость приводит к необходимости более детализированного представления климатических характеристик. При эксплуатации систем обеспечения микроклимата зданий целесообразно использование дополнительных климатических нормативов. Эксплуатация инженерного оборудования усложняется, наиболее удобной является более частая градация параметров, нежели суточная. В мировой практике широкое распространение получило применение типового года с почасовым использованием метеорологических параметров. Разработка норм с ежечасными значениями климатических параметров даёт возможность предоставлять детальные и достоверные климатические данные при проектировании зданий и сооружений с учетом глобального изменения климата, что особенно важно при применении энергосберегающих технологий и оценке энергоэффективности в масштабах жизненного цикла эксплуатации зданий и сооружения, учитывая ход изменения климатических параметров: годовой, месячный, суточный и почасовой. Следуя международному опыту в институте строительной физики были разработаны почасовые климатические нормативы для территорий современной Москвы. В расчетах использованы климатологические ряды «срочного, суточного, месячного и годового» разрешения за период 19802011 гг. С целью оптимизации расчетов, большего охвата строительных задач при годовом рассмотрении климатических параметров и их большей детализации предпочтительнее применять типовой год, рассчитанный из метеорологических параметров, сохраняющих физическую взаимосвязь между собой. Это важно, как при применении энергосберегающих технологий и оценке энергоэффективности зданий, так и при анализе тепловлажностного состояния ограждающих конструкций зданий [3]. Универсальный типовой год рассчитан на широкий диапазон инженерных задач и располагает большим количеством метеорологических параметров. Дополнительно учитывается солнечная радиация, влияющая в суточном режиме на формирование температур на наружной поверхности ограждений. Суточные колебания метеорологических параметров могут быть также представлены в виде данных, полученных с интервалом в три часа, что соответствует традиционному режиму метеонаблюдений на территории РФ. В таблицах 1 и 2 приведены температурновлажностные характеристики наружного воздуха наиболее холодных суток зимнего периода и наиболее теплых суток летнего периода, представленные в трехчасовых временных интервалах для г. Москвы. Данные, приведенные в таблицах свидетельствуют о незначительных переменах в климатической системе г. Москвы и показывают достаточность детализации метеорологических параметров. Использование меньшего количества данных при достаточной точности величин имеет преимущества: в сокращении объема информации, затрат времени на разработку нормативов, что позволяет, не снижая качества исходной информации, обеспечить данными большее число городов РФ. Климат и энергосбережение Территория РФ расположена в суровых климатических условиях. В связи с этим вопросы теплозащиты зданий и экономии энергии никогда не утрачивали своей актуальности. «В 7080х годах ХХ столетия между СССР и США осуществлялось сотрудничество по проблемам энергосбережения в различных отраслях народного хозяйства» [4]. Российскую сторону представляли сотрудники института строительной физики, Матросов Ю.С. и Бутовский И.Н., в дальнейшем многие годы лидируя в стратегии энергосбережения. Совместно со специалистами НИИСФ РААСН трудились сотрудники института «ЦНИИЭП жилища»
– Ливчак В.И. и др., организации «АВОК»
– Табунщиков Ю.А. и др. Вопросы энергосбережения практически напрямую связаны со значительной частью экологических проблем
– рационального использования энергетических ресурсов при строительстве и эксплуатации зданий. В решении вопросов технического регулирования разработчики преимущественно ориентировались на зарубежный опыт, руководствующийся экологической составляющей этой стратегии, или сокращением вредных выбросов в атмосферу. Именно в это время вопросы изменения климата оказались в центре внимания. Можно ли было проблему энергосбережения и модернизации строительной отрасли считать актуальной для РФ в 90е годы, в условиях наступивших в стране перемен и развала промышленного производства? История не имеет сослагательного наклонения. Инженеры и ученые с большим трудом принимали новую концепцию энергосбережения, внедряемую свыше; ведь в перезагрузке оказалась значительная часть строительной отрасли. В газете «Строительный эксперт» широко обсуждалась эта проблема, приводя к некоторому упорядочению различных мнений. Матросов Ю.А. и Бутовский И.Н. значительную часть своих разработок посвятили вопросам гармонизации энергозатрат на отопление зданий с климатической региональной спецификой территории РФ. Авторы совместно в 19992005 гг. разработали порядка 52 территориальных строительных норм по энергосбережению в зданиях. В 2008 г. вышла книга Матросова Ю.А. «Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения» [5], в которой была дана характеристика ситуации с энергосбережением в стране: «К настоящему времени строительный комплекс полностью перестроился и перешел на соблюдение нового поколения как территориальных, так и федеральных норм, а комплекс стандартов и энергетические паспорта обеспечили энергоаудит возведенных и эксплуатируемых зданий». По данным автора, проведенные мероприятия привели к ежегодному снижению выбросов парниковых газов в атмосферу на 2,8 млн. тонн и их суммарное снижение с 2002 по 2007 гг. составило 42 млн. тонн В конструктивном решении утепление несущих стен было рекомендовано осуществлять снаружи с применением теплоизоляционных материалов, обеспечивающих нормируемый уровень тепловой защиты зданий. Климатические качели, экстремальные погодные условия, наличие случаев разрушения наружного слоя ограждений вызвали необходимость рассмотрения и внедрения в строительную практику новых альтернативных технологий и конструкций стен. К позитивным моментам эффективного использования энергии в строительном комплексе можно отнести: снижение расходов на отопление и зданий; улучшение качества внутреннего микроклимата зданий; расширение использования возобновляемых источников энергии; снижение отрицательного влияния на окружающую среду. В связи с пандемией COVID в 2020 г., незамеченным прошел юбилей активного внедрения энергосберегающих мероприятий в строительную отрасль «Четверть века реализации энергопотребления российских отапливаемых зданий» [4]. Анализируя процессы развития и совершенствования энергопотребления российских зданий гражданского назначения за прошедшие 25 лет, авторы отмечают наличие резервов энергосбережения при разработке норм проектирования энергоэффективных зданий. Так помимо расходов на поддержание требуемого микроклимата в зданиях тепловая энергия расходуется на горячее водоснабжение, а электрическая на искусственное освещение, бытовые нужды, а также на работу инженерного оборудования. Комфортные условия в помещениях вызывают необходимость в адаптации инженерных систем здания к стремительно меняющимся погодным условиям. В связи с этим в свод правил СП 131.13330.2021. внесены разработанные дополнительные метеорологические характеристики теплого периода года: удельная энтальпия и влагосодержание наружного воздуха, добавлена таблица 10.2, содержащая параметры, необходимые для расчётов и проектирования инженерных систем обеспечения требуемого микроклимата помещений зданий: систем холодоснабжения и кондиционирования воздуха жилых, общественных и производственных зданий для городовмиллионников и других населенных пунктов РФ со специфическими климатическими условиями. Для расчета температуры, энтальпии и влагосодержания использовались «срочные» данные интервалом измерений 3 часа (табл. 3). Энергосбережение переходит на более высокую ступень при учете дополнительных источников расхода энергетических ресурсов. К вопросу конструктивных решений наружных ограждений здания Экстремальные значения климатических параметров и частота их появления оказывают влияние на наружную поверхность ограждающих конструкций здания и могут приводить к разрушению целостности конструктивных элементов зданий; к этому относится и нарушение облицовочного слоя наружных ограждений. К негативным климатическим воздействиям последних десятилетий можно отнести: значительные изменения в аэродинамике воздушных масс региональных территорий, а именно росту частоты появления и количества дней со скоростью ветра, превышающей 15 м/с; к этому следует добавить колебания погоды в холодный период года; наличие знакопеременной температуры в дневное и ночное время суток и меняющейся относительной влажности воздуха. При эксплуатации однородных конструкций наружных стен зданий в зимнее время года наибольшее количество влаги сосредотачивается в области, находящейся на расстоянии 1/2
– 1/3 части толщины стены от наружной поверхности [6]. Климатические качели приводят к увеличению воздействий циклов замораживания
– оттаивания, что весьма неблагоприятно сказывается на строительных конструкциях с использованием облицовочных слоев. Размещение в наружной зоне конструкции материала с пониженной влагопоглощающей способностью позволяет повысить теплозащитные качества стен. Создание такой конструкции стены оказалось возможным, посредством применения технологии послойного формования керамзитопенобетонных блоков с отличающимися теплотехническими свойствами по их толщине. Исследования, теплозащитных качеств фрагментов наружных стен из керамзитопенобетонных блоков с неравномерным распределением плотности по толщине были проведены в климатической камере. Влажностный режим конструкции из однородного керамзитопенобетона, без разделения на слои, отличался повышенной влагоемкостью. Влагоемкость керамзита, смешанного с пенобетоном в этой зоне, составила 8,1%, что почти в 2 раза больше, чем в неоднородных керамзитопенобетонных блоках. Пониженное содержание влаги в неоднородных блоках привело к повышению сопротивления теплопередаче на 18% [7]. Увеличение толщины фрагмента стены с 0,32 до 0,5 м, изготовленных из неоднородных кераммени на разработку нормативов, позволяя без снижения качества исходной информации, обеспечить данными большее число городов РФ. Комплексный подход к рассмотрению теплового режима здания, как единой теплоэнергетической системы с учетом внутренних условий и наружных воздействий позволяет оптимизировать энергозатраты и обеспечивать тепловой комфорт в помещениях. Снижение потребления энергии в строительном секторе повышает энергоэффективность строительной отрасли и позитивно влияет на энергетическую безопасность Российской Федерации, качество окружающей среды и социальную сферу. Климатические качели, экстремальные погодные условия могут вызвать разрушение наружного слоя ограждений, что вызывает необходимость рассмотрения и внедрения в строительную практику новых технологий конструктивных решений стен зданий.