ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7022| Title: | Обґрунтування конструктивних особливостей енергозберігаючих сучасних будівель |
| Authors: | Смоляр, Анатолій Михайлович Хижняк, Дар’я Анатоліївна |
| Keywords: | енергоефективність будівель;багатоповерхова житлова будівля;огороджувальні конструкції;тепловий захист;теплові містки;коефіцієнт теплопередачі;повний коефіцієнт тепловтрат;річні тепловтрати;система ETICS;монолітний залізобетонний каркас;мансардний дах;світлопрозорі конструкції;герметичність будівлі;життєвий цикл будівлі;декарбонізація;викиди CO₂ |
| Issue Date: | Jan-2026 |
| Abstract: | Кваліфікаційна робота магістра складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Обсяг роботи становить 95 сторінок основного тексту, містить 38 рисунків, 15 таблиці, 30 найменувань у списку використаних джерел. Магістерська робота присвячена обґрунтуванню конструктивних особливостей енергозберігаючих сучасних житлових будівель на прикладі багатоповерхового об’єкта з монолітним залізобетонним каркасом у кліматичних умовах м. Черкаси. У роботі розглянуто комплекс питань теплового захисту огороджувальних конструкцій, впливу лінійних теплових містків, герметичності будівлі та вибору раціональних конструктивних рішень з урахуванням вимог чинних нормативних документів України та гармонізованих європейських стандартів. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7022 |
| Appears in Collections: | 192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Кваліфікаційна робота магістра Хижняк Д.А. МГБ-404.pdf Restricted Access | 3.5 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
2 РЕФЕРАТ Кваліфікаційна робота магістра складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Обсяг роботи становить 95 сторінок основного тексту, містить 38 рисунків, 15 таблиці, 30 найменувань у списку використаних джерел. Магістерська робота присвячена обґрунтуванню конструктивних особливостей енергозберігаючих сучасних житлових будівель на прикладі багатоповерхового об’єкта з монолітним залізобетонним каркасом у кліматичних умовах м. Черкаси. У роботі розглянуто комплекс питань теплового захисту огороджувальних конструкцій, впливу лінійних теплових містків, герметичності будівлі та вибору раціональних конструктивних рішень з урахуванням вимог чинних нормативних документів України та гармонізованих європейських стандартів. Метою роботи є підвищення енергоефективності житлової будівлі шляхом оптимізації конструктивних рішень огороджувальних конструкцій і вузлів та кількісна оцінка їх впливу на тепловтрати, річне енергоспоживання і викиди вуглекислого газу. Об’єктом дослідження є процеси теплообміну в огороджувальних конструкціях багатоповерхової каркасної житлової будівлі. Предметом дослідження є теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій та лінійні теплові містки у вузлах примикання перекриттів, колон, лоджій і світлопрозорих елементів. У роботі проаналізовано нормативні вимоги ДБН В.2.6-31:2021, ДБН В.2.2-15 та стандартів серії ДСТУ EN ISO щодо теплового захисту будівель і розрахунку теплових містків. Розглянуто сучасні конструктивні рішення зовнішніх стін із системою ETICS, мансардного покриття з підвищеною товщиною утеплювача, перекриттів над неопалюваними приміщеннями, енергоефективних віконних блоків і вузлів примикання. Виконано теплотехнічні розрахунки коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних конструкцій, визначено площинний коефіцієнт теплопередачі будівлі, внесок лінійних теплових містків та повний коефіцієнт тепловтрат. Показано, 3 що частка теплових містків у загальних тепловтратах становить близько 20%, що підтверджує необхідність їх обов’язкового врахування на стадії проєктування. Оцінено річні тепловтрати та економію теплової енергії при переході від традиційних до енергозберігаючих конструктивних рішень. У розділі з екологічної оцінки визначено скорочення викидів CO2 для різних варіантів теплозабезпечення (природний газ, централізоване теплопостачання, електроопалення) та проаналізовано ефект декарбонізації протягом життєвого циклу будівлі. Показано, що підвищення енергоефективності огороджувальних конструкцій забезпечує не лише зменшення експлуатаційних витрат, а й істотне скорочення вуглецевого сліду. За результатами досліджень сформульовано науково обґрунтовані та практично орієнтовані рекомендації щодо забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру, мінімізації теплових містків у конструктивних вузлах, вибору оптимальної товщини утеплювача та підвищення енергоефективності світлопрозорих конструкцій. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні та реконструкції багатоповерхових житлових будівель з метою досягнення високих класів енергоефективності та зменшення викидів CO₂. Ключові слова: енергоефективність будівель, огороджувальні конструкції, тепловий захист, теплові містки, коефіцієнт теплопередачі, повний коефіцієнт тепловтрат, річні тепловтрати, система ETICS, монолітний залізобетонний каркас, мансардний дах, світлопрозорі конструкції, герметичність будівлі, декарбонізація, викиди CO₂, життєвий цикл будівлі, багатоповерхова житлова будівля. 4 ABSTRACT The master's qualification thesis consists of an introduction, four chapters, conclusions, and a list of references. The total length of the main text is 95 pages and includes 38 figures, 15 tables, and 30 bibliographic entries. The master's thesis is dedicated to the justification of structural features of energy- efficient modern residential buildings, using the example of a multi-storey structure with a monolithic reinforced concrete frame in the climatic conditions of the city of Cherkasy. The study addresses a range of issues related to the thermal protection of building envelopes, the impact of linear thermal bridges, the airtightness of the building, and the selection of rational structural solutions in accordance with the requirements of current Ukrainian regulations and harmonized European standards. The aim of the study is to improve the energy efficiency of a residential building by optimizing the structural solutions of envelope components and joints, and to quantitatively assess their impact on heat losses, annual energy consumption, and carbon dioxide emissions. The object of the research is the heat transfer processes in the envelope structures of a multi-storey framed residential building. The subject of the research is the thermal performance of envelope structures and linear thermal bridges in the joints of floor slabs, columns, loggias, and transparent elements. The thesis analyzes the regulatory requirements of DBN B.2.6-31:2021, DBN B.2.2- 15, and DSTU EN ISO series standards related to the thermal protection of buildings and the calculation of thermal bridges. The study considers modern structural solutions for external walls with ETICS systems, attic roofs with increased insulation thickness, floors over unheated spaces, energy-efficient window units, and connection details. Thermal engineering calculations were performed for the thermal transmittance of building envelope elements. The area-weighted average heat transfer coefficient of the building, the contribution of linear thermal bridges, and the overall heat loss coefficient were determined. It was shown that thermal bridges account for approximately 20% of total heat losses, which confirms the necessity of their consideration at the design stage. Annual heat 5 losses and energy savings resulting from the transition from traditional to energy-efficient structural solutions were also evaluated. The environmental assessment chapter identifies reductions in CO₂ emissions for various heating supply scenarios (natural gas, district heating, electric heating) and analyzes the decarbonization effect over the building's life cycle. It was demonstrated that enhancing the energy efficiency of envelope components not only reduces operational costs but also significantly lowers the building's carbon footprint. Based on the research results, scientifically grounded and practically oriented recommendations were developed for ensuring the continuity of the thermal insulation contour, minimizing thermal bridges in structural joints, selecting optimal insulation thickness, and improving the energy efficiency of transparent structures. The findings can be applied in the design and renovation of multi-storey residential buildings to achieve high energy performance classes and reduce CO₂ emissions. Keywords: building energy efficiency, building envelope, thermal protection, thermal bridges, thermal transmittance, overall heat loss coefficient, annual heat losses, ETICS system, monolithic reinforced concrete frame, attic roof, transparent structures, building airtightness, decarbonization, CO₂ emissions, building life cycle, multi-storey residential building. 6 ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ І ТЕРМІНІВ….. 9 ВСТУП……………………………………………………………………………...... 11 1 НОРМАТИВНО-ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ БУДІВЕЛЬ…………………………………………………………………........….. 14 1.1 Енергоефективність у сучасному будівництві…………………………….. 15 1.2 Нормативні вимоги до теплового захисту будівель…………………….…. 16 1.3 Класи енергоефективності будівель та критерії їх визначення…………... 18 1.4 Роль конструктивних рішень у зниженні енергоспоживання…………….. 20 Висновки до розділу 1………………………………………………………….... 21 2 КОНСТРУКТИВНІ РІШЕННЯ ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ…… 23 2.1 Конструкції зовнішніх стін енергозберігаючих будівель……………….… 24 2.2 Конструктивні рішення перекриттів і покриттів……………………….….. 27 2.3 Світлопрозорі огороджувальні конструкції…………………………….….. 35 2.4 Конструктивні вузли та теплові містки……………………………….……. 38 2.5 Герметичність будівлі та повітрообмін……………………………….……. 44 Висновки до розділу 2……………………………………………………….…... 48 3 ТЕПЛОТЕХНІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ РІШЕНЬ….….. 50 3.1. Вихідні дані та характеристика об’єкта дослідження……………………... 51 3.1.1 Загальна характеристика об’єкта………………………………….…... 51 3.1.2 Геометричні та планувальні параметри (для розрахункової моделі)... 52 3.1.3 Кліматичні умови та розрахункові температури………………….….. 54 3.1.4 Прийняті конструктивні рішення огороджувальних елементів (для моделі)………………………………………………………………...... 54 3.1.5 Орієнтовні теплотехнічні показники (початкові для моделі)….…….. 55 3.1.6 Ключові вузли та потенційні теплові містки…………………………. 55 3.2. Теплотехнічний розрахунок огороджувальних конструкцій……………... 55 3.2.1 Методика теплотехнічного розрахунку огороджувальних конструкцій…………………………………………………………….. 55 7 3.2.2 Зовнішні стіни (газобетон 250 мм + система ETICS 180 мм)…….…... 58 3.2.3 Покриття (мансардний теплий дах з утепленням 250 мм)…………… 59 3.2.4 Перекриття над неопалюваним підвалом/паркінгом (залізобетонна плита 200 мм з теплоізоляцією з холодної сторони)…………………. 61 3.2.5 Світлопрозорі огороджувальні конструкції (вікна)………………….. 62 3.2.6 Узагальнення площинної складової тепловтрат будівлі (визначення ������,0, Φ����,0)……………………………………………………………... 64 3.3 Аналіз тепловтрат будівлі………………………………………………….... 66 3.3.1 Аналіз площинних тепловтрат будівлі…………………………….….. 66 3.3.2 Аналіз лінійних теплових містків……………………………….…….. 67 3.3.3 Кількісна оцінка лінійних теплових містків (визначення коефіцієнтів ��)………………………………………………………… 69 3.4 Вплив конструктивних рішень на показники енергоефективності…….…. 73 Висновки до розділу 3…………………………………………………………… 75 4 ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ТА ПРАКТИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ………………. 76 4.1 Порівняльний аналіз традиційних і енергозберігаючих конструктивних рішень……………………………………………………………………….… 76 4.1.1 Характеристика порівнюваних варіантів……………………….…….. 77 4.1.2 Аналіз отриманих результатів………………………………………… 77 4.2 Техніко-економічна оцінка застосованих конструктивних рішень……….. 78 4.2.1 Вихідні дані для оцінки конструктивних рішень……………………. 79 4.2.2 Оцінка повного коефіцієнта теплопередачі �� та річної економії ���� теплової енергії Δ��……………………………………………...……... 81 4.2.3 Умовна економія енергії в перерахунку на одиницю площі…............ 84 4.3 Рекомендації щодо впровадження енергозберігаючих конструкцій у будівельну практику………………………………..……...........……..…….. 87 4.3.1 Забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру………….. 87 4.3.2 Оптимізація вузлів лоджій і балконів………………………………… 89 4.3.3 Раціональне проєктування світлопрозорих конструкцій…….……… 90 4.3.4 Підвищення енергоефективності покриття та перекриттів….…….... 91 8 4.3.5 Комплексний підхід до енергоефективного проєктування................. 92 4.4 Екологічна оцінка енергоефективної будівлі в контексті декарбонізації.... 95 4.4.1 Зв’язок енергоефективності та викидів CO₂.......................................... 96 4.4.2 Орієнтовна оцінка скорочення викидів CO₂.......................................... 97 4.4.3 Екологічний ефект упродовж життєвого циклу будівлі....................... 100 Висновки до розділу 4...................................................................................... 102 ВИСНОВКИ.................................................................................................................. 104 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ..................................................................... 106 9 ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ Позначення Найменування Одиниця �� Площа елемента огороджувальної конструкції м² ���������� Площа в плані (площа забудови / площа типового м² поверху) ������ Опалювана площа будівлі м² �������� Площа фасадів (вертикальна оболонка без віднімання м² прорізів) ���������� Площа непрозорих зовнішніх стін м² �������� Площа світлопрозорих конструкцій (вікна/балконні м² блоки) ������ Площа перекриття над неопалюваним приміщенням м² (підвал/паркінг) ���������� Площа покриття (даху) м² �� Опалюваний об’єм будівлі м³ �� Периметр будівлі м �� Кількість поверхів (розрахункових рівнів) – ℎ Розрахункова висота поверху м �� Розрахункова висота опалюваної частини будівлі м �� Коефіцієнт засклення фасадів – ���� Розрахункова температура внутрішнього повітря °C ���� Розрахункова температура зовнішнього повітря °C Δ�� Температурний напір (����−����) К ���� Товщина ��-го шару конструкції м ���� Коефіцієнт теплопровідності ��-го шару Вт/(м·К) �� Термічний опір шару або конструкції м²·К/Вт ������ Внутрішній поверхневий опір тепловіддачі м²·К/Вт ������ Зовнішній поверхневий опір тепловіддачі м²·К/Вт ��Σ Сумарний термічний опір багатошарової конструкції м²·К/Вт �� Коефіцієнт теплопередачі огороджувальної Вт/(м²·К) конструкції ���������� Коефіцієнт теплопередачі зовнішніх стін Вт/(м²·К) ���������� Коефіцієнт теплопередачі покриття (даху) Вт/(м²·К) 10 ������ Коефіцієнт теплопередачі перекриття над Вт/(м²·К) неопалюваним приміщенням ���� Коефіцієнт теплопередачі віконного блоку Вт/(м²·К) ���� Площинний коефіцієнт теплопередачі ��-ї конструкції Вт/К ( ���� = �������� ) ������,0 Сумарний коефіцієнт теплопередачі будівлі без Вт/К урахування теплових містків Φ�� Тепловий потік (потужність тепловтрат) через ��-й Вт (кВт) елемент ( Φ�� = ����Δ�� ) Φ����,0 Тепловий потік через оболонку без урахування Вт (кВт) теплових містків ���� Лінійний коефіцієнт теплопередачі ��-го теплового Вт/(м·К) містка ���� Довжина (протяжність) ��-го лінійного теплового містка м ������ Сумарний коефіцієнт теплопередачі від лінійних Вт/К теплових містків (������ = ∑��������) Φ���� Тепловий потік (потужність) від лінійних теплових Вт (кВт) містків ������ Повний коефіцієнт теплопередачі будівлі (������ = Вт/К ������,0 + ������) Φ���� Повний тепловий потік через оболонку з урахуванням Вт (кВт) теплових містків ETICS External Thermal Insulation Composite System (зовнішня – теплоізоляційна композитна система) – система зовнішньої теплоізоляції з тонкошаровою штукатуркою warm edge Дистанційна рамка з низькою теплопровідністю у – склопакеті �� Кількість теплової енергії (тепловтрати за період) кВт·год ���������� Річні тепловтрати/споживання теплової енергії кВт·год/рік CO₂ Викиди діоксиду вуглецю (для екологічної оцінки) кг, т Приведені викиди парникових газів, виражені в CO₂e еквіваленті вуглекислого газу з урахуванням їхнього кг, т потенціалу глобального потепління CapEx Capital Expenditure, або капітальні інвестиційні витрати, – тобто разові витрати на створення або модернізацію основних фондів 11 ВСТУП Сучасний етап розвитку будівельної галузі в Україні та світі характеризується зростанням вимог до енергоефективності, екологічної безпеки та зменшення викидів парникових газів у контексті глобальної політики декарбонізації. Значна частка теплових втрат у житлових будівлях зумовлена недостатньою теплозахисною здатністю огороджувальних конструкцій та наявністю лінійних теплових містків у конструктивних вузлах. Це призводить до підвищеного споживання енергії на опалення, зростання експлуатаційних витрат і збільшення викидів CO₂ протягом життєвого циклу будівель. У зв’язку з цим особливої актуальності набуває науково обґрунтований вибір конструктивних рішень енергоефективних огороджувальних конструкцій та вузлів примикання у багатоповерхових житлових будівлях каркасного типу з урахуванням вимог чинних будівельних норм, енергетичних та екологічних критеріїв. Актуальність теми роботи зумовлена необхідністю зниження енергоспоживання житлового фонду та скорочення викидів CO₂ відповідно до вимог ДБН В.2.6-31:2021, ДБН В.1.2-11:2021 та європейських директив з енергоефективності будівель (EPBD) [1-5, 11-17]. У порівнянні з традиційними конструктивними рішеннями сучасні системи зовнішнього утеплення, енергоефективні покриття та оптимізовані вузли примикання дозволяють істотно зменшити коефіцієнти теплопередачі та вплив теплових містків, що потребує комплексного теплотехнічного й техніко-економічного обґрунтування. Зв’язок роботи з науковими програмами та планами. Робота виконана відповідно до науково-дослідної тематики кафедри промислового та цивільного будівництва Черкаського державного технологічного університету, пов’язаної з напрямами підвищення енергоефективності та екологічної сталості будівель, а також узгоджується з державними програмами з енергозбереження та Стратегією низьковуглецевого розвитку України, а також загальноєвропейським тенденціям декарбонізації будівельного сектору[5]. Метою роботи є теплотехнічне, техніко-економічне та екологічне 12 обґрунтування конструктивних рішень огороджувальних конструкцій енергоефективної багатоповерхової житлової будівлі з монолітним залізобетонним каркасом. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: – проаналізувати сучасні конструктивні рішення огороджувальних конструкцій та характерні теплові містки; – виконати теплотехнічні розрахунки з визначенням коефіцієнтів теплопередачі U, лінійних коефіцієнтів ψ та повного коефіцієнта теплопередачі ������; – оцінити річні тепловтрати та потенційну економію енергії ����; – здійснити техніко-економічну та екологічну оцінку в контексті скорочення викидів CO₂; – розробити рекомендації щодо впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень. Об’єктом дослідження є процеси формування теплового режиму та енергоспоживання житлових багатоповерхових будівель з монолітним залізобетонним каркасом у кліматичних умовах м. Черкаси. Предметом дослідження є конструктивні рішення огороджувальних конструкцій (зовнішні стіни з системою ETICS, перекриття, покриття, світлопрозорі елементи, вузли примикання та теплові містки), а також їх вплив на коефіцієнти теплопередачі, повний коефіцієнт тепловтрат ������та енергоефективність будівлі в цілому. У роботі використано методи дослідження: – аналітичні методи теплопередачі багатошарових конструкцій; – нормативні методики за ДБН В.2.6-31:2021 [1] та ДСТУ EN ISO 10211 [3]; – інженерні розрахунки коефіцієнтів ��, ��, ������, річних тепловтрат Q; – порівняльний та техніко-економічний аналіз; – розрахунок викидів CO₂ за методикою питомих емісій енергоносіїв. Наукова та практична новизна роботи: – удосконалено метод комплексної оцінки енергоефективності каркасної будівлі з урахуванням лінійних теплових містків; 13 – дістали подальшого розвитку підходи до екологічної оцінки будівель через інтеграцію показників ������ , ���� та викидів CO₂ протягом життєвого циклу; – запропоновано інженерні рекомендації з оптимізації вузлів лоджій, перекриттів та фасадних систем. Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні житлових будівель, розробці енергоефективних фасадних систем, підготовці методичних матеріалів та в навчальному процесі кафедри промислового та цивільного будівництва. Особистий внесок здобувача. Усі теплотехнічні, енергетичні та екологічні розрахунки, аналіз конструктивних рішень і формування рекомендацій виконані автором особисто. Апробація результатів. Результати роботи доповідались на засіданні кафедри промислового та цивільного будівництва ЧДТУ та на V Міжнародній науково- практичній конференції "SCIENCE, TECHNOLOGY AND GLOBAL CHALLENGES". Публікації. За матеріалами магістерської роботи підготовлено статтю у збірнику наукових праць та матеріалів конференції: Смоляр А.М., Хижняк Д.А. Обґрунтування конструктивних особливостей енерго- зберігаючих сучасних будівель // Science, technology and global challenges. V Міжнародна науково-практична конференція. CPN Publishing Group. Tokyo, Japan. 2026. Pp. 246-254. URL: https://sci-conf.com.ua/v-mizhnarodna-naukovo-praktichna- konferentsiya-science-technology-and-global-challenges-11-13-01-2026-tokio-yaponiya- arhiv/ . 14 1 НОРМАТИВНО-ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ БУДІВЕЛЬ Енергозбереження в будівництві є одним із пріоритетних напрямів розвитку сучасної будівельної галузі, що зумовлено зростанням вартості енергоресурсів, необхідністю зменшення викидів парникових газів та підвищенням вимог до комфортності умов проживання. Будівлі житлового та громадського призначення споживають значну частку теплової енергії, тому підвищення їх енергоефективності має важливе соціально-економічне значення [1-3]. Нормативна база у сфері теплового захисту та енергоефективності будівель в Україні регламентується, зокрема, положеннями ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель», які встановлюють вимоги до теплотехнічних характеристик огороджувальних конструкцій, урахування теплових містків та оцінки енергетичних показників будівель [6]. Дотримання зазначених вимог є обов’язковою умовою проєктування сучасних енергозберігаючих будівель і потребує глибокого розуміння як нормативних, так і теоретичних аспектів теплопередачі. У підрозділі 1.1 розглядаються основні теоретичні засади енергозбереження в будівлях, зокрема механізми теплопередачі, роль огороджувальних конструкцій у формуванні теплового балансу та вплив конструктивних рішень на величину тепловтрат. Узагальнення цих положень створює теоретичну основу для подальшого аналізу нормативних вимог. Підрозділ 1.2 присвячений аналізу чинних нормативних вимог до теплового захисту будівель, зокрема граничних значень коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних конструкцій, установлених державними будівельними нормами. У цьому підрозділі здійснюється перехід від загальних теоретичних положень до конкретних нормативних критеріїв, які застосовуються в інженерній практиці. Логічним продовженням є підрозділ 1.3, у якому розглядається класифікація будівель за класами енергоефективності та їх взаємозв’язок з теплотехнічними показниками огороджувальних конструкцій і рівнем тепловтрат. Це дозволяє 15 пов’язати виконання нормативних вимог із досягненням конкретних енергетичних характеристик будівлі та сформувати підґрунтя для подальшого теплотехнічного обґрунтування конструктивних рішень. Таким чином, матеріали розділу 1 формують нормативно-теоретичну базу для подальших розрахункових і аналітичних досліджень, виконаних у наступних розділах магістерської роботи, зокрема при теплотехнічному обґрунтуванні конструктивних рішень енергозберігаючих будівель. 1.1 Теоретичні засади енергозбереження в будівлях Енергозбереження в будівлях базується на зменшенні тепловтрат через огороджувальну оболонку та оптимізації процесів теплообміну між внутрішнім і зовнішнім середовищем. Основною метою енергозберігаючого проєктування є досягнення необхідного рівня теплового комфорту за мінімальних витрат теплової енергії протягом усього періоду експлуатації будівлі. З позицій будівельної фізики тепловтрати будівлі формуються внаслідок трьох основних механізмів теплопередачі: теплопровідності, конвекції та теплового випромінювання [22, 26]. У практиці теплотехнічних розрахунків ці процеси узагальнюються через поняття коефіцієнта теплопередачі огороджувальних конструкцій, який характеризує інтенсивність теплового потоку при різниці температур між внутрішнім і зовнішнім повітрям. Огороджувальні конструкції (зовнішні стіни, покриття, перекриття, світлопрозорі елементи) відіграють ключову роль у формуванні теплового балансу будівлі. Зменшення їх теплопередачі досягається шляхом застосування ефективних теплоізоляційних матеріалів, багатошарових конструктивних рішень та забезпечення безперервності утеплювального шару. Водночас навіть за високих теплоізоляційних властивостей огороджувальних конструкцій загальні тепловтрати можуть істотно зростати за рахунок теплових містків. Теплові містки виникають у місцях примикання та перетину огороджувальних конструкцій, а також у зонах проходження несучих елементів із підвищеною теплопровідністю. Для будівель із монолітним залізобетонним каркасом такими 16 зонами є торці плит перекриттів, вузли лоджій, примикання до перекриттів над неопалюваними приміщеннями та місця встановлення світлопрозорих конструкцій. Наявність теплових містків призводить не лише до збільшення тепловтрат, але й до зниження температури внутрішніх поверхонь, що може викликати конденсацію вологи та погіршення мікроклімату приміщень. З теоретичної точки зору сумарні тепловтрати будівлі доцільно розглядати як поєднання площинної складової, що визначається теплопередачою через площу огороджувальних конструкцій, та лінійної складової, пов’язаної з тепловими містками. Такий підхід дозволяє більш повно оцінити реальні теплові втрати будівлі та обґрунтувати необхідність комплексного підходу до енергозберігаючого проєктування [4]. Отже, теоретичні засади енергозбереження в будівлях ґрунтуються на зменшенні теплопередачі огороджувальних конструкцій, мінімізації теплових містків та забезпеченні безперервності теплоізоляційного контуру. Ці положення є основою для формування нормативних вимог до теплового захисту будівель, які розглядаються в наступному підрозділі. 1.2 Нормативні вимоги до теплового захисту будівель Нормативні вимоги до теплового захисту будівель в Україні встановлюються державними будівельними нормами, які регламентують допустимі рівні тепловтрат та визначають критерії енергоефективності огороджувальних конструкцій. Основним нормативним документом у цій сфері є ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель», який є обов’язковим для застосування при проєктуванні нових будівель та реконструкції існуючих [6]. Відповідно до положень ДБН В.2.6-31:2021, тепловий захист будівлі повинен забезпечувати: – обмеження тепловтрат у холодний період року; – дотримання нормативних значень температур внутрішніх поверхонь огороджувальних конструкцій; – запобігання утворенню конденсату та забезпечення належного мікроклімату 17 приміщень; – досягнення встановлених показників енергоефективності будівлі. Ключовими нормативними параметрами теплового захисту є граничні значення коефіцієнтів теплопередачі ��для основних видів огороджувальних конструкцій. Значення ��характеризує інтенсивність тепловтрат через одиницю площі конструкції за різниці температур у 1К і використовується як базовий показник при теплотехнічному проєктуванні приведені у таблиці 1.1. Таблиця 1.1 – Нормативні граничні значення коефіцієнтів теплопередачі �� огороджувальних конструкцій житлових будівель (за ДБН В.2.6-31:2021) Огороджувальна конструкція Максимально допустиме значення ��, Вт/(м²·К) Зовнішні стіни ≤ 0,30 Покриття, горищні перекриття ≤ 0,20 Перекриття над неопалюваними ≤ 0,30 приміщеннями Вікна та балконні двері ≤ 1,30 Вітражі ≤ 1,50 Примітка. Наведені значення є граничними та не гарантують досягнення високого класу енергоефективності без урахування теплових містків і конструктивних вузлів. Крім вимог до коефіцієнтів теплопередачі, ДБН В.2.6-31:2021 також регламентують: – допустимі значення температури внутрішньої поверхні огороджувальних конструкцій; – вимоги до повітропроникності будівельної оболонки; – умови відсутності конденсації вологи у товщі конструкцій; – необхідність врахування впливу теплових містків. Таким чином, нормативні вимоги до теплового захисту будівель формують базу для обґрунтування конструктивних рішень енергозберігаючих будівель. Дотримання цих вимог є обов’язковою умовою забезпечення енергоефективності будівель та їх відповідності сучасним стандартам будівництва. Однак для досягнення високих показників енергоефективності потрібен комплексний підхід, що включає мінімізацію теплових містків і оптимізацію конструктивних рішень. 18 1.3 Класи енергоефективності будівель Оцінка енергоефективності будівель здійснюється на основі інтегральних показників споживання енергії та передбачає присвоєння будівлі відповідного класу енергоефективності. Відповідно до чинних нормативних документів, зокрема ДБН В.2.6-31:2021 та ДБН В.2.2-15:2019, будівлі поділяються на класи енергоефективності залежно від величини розрахункових енергетичних витрат на опалення, охолодження, вентиляцію та гаряче водопостачання [6, 7]. Класифікація дозволяє порівнювати будівлі між собою, оцінювати рівень їх енергоспоживання та визначати доцільність впровадження енергозберігаючих заходів. Клас енергоефективності залежить від сукупності чинників, серед яких: – теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій; – рівень тепловтрат через теплові містки; – ефективність інженерних систем; – кліматичні умови району будівництва. Згідно з нормативною класифікацією, будівлі поділяються на класи енерго- ефективності від A до G, де клас A відповідає найвищому рівню енергоефективності, а клас G – найнижчому. Будівлі з високими класами енергоефективності характе- ризуються зменшеними тепловтратами, високими показниками теплозахисту огороджувальних конструкцій та ефективною роботою інженерних систем. Будівлі класів A та B, як правило, відповідають концепції енергозберігаючих і низькоенергетичних будівель. Для досягнення таких класів необхідно застосовувати багатошарові огороджувальні конструкції з низькими значеннями коефіцієнтів теплопередачі, мінімізувати теплові містки, забезпечувати високий рівень герметичності будівельної оболонки та оптимізувати конструктивні вузли. Будівлі класів C-D відповідають мінімальним нормативним вимогам і найчастіше характеризують традиційні будівельні рішення. Класи E-G свідчать про низький рівень енергоефективності та потребують впровадження заходів з термомодернізації або реконструкції огороджувальних конструкцій. Слід зазначити, що клас енергоефективності будівлі є результатом комплексної 19 оцінки, однак вирішальним фактором його формування залишаються конструктивні рішення огороджувальних конструкцій. Саме вони визначають можливість досягнення високих класів енергоефективності ще на стадії проєктування, без значного ускладнення інженерних систем. Таким чином, класи енергоефективності будівель є важливим інструментом оцінки результативності прийнятих конструктивних рішень і дозволяють обґрунтовано переходити до аналізу конкретних конструкцій огороджувальних елементів. У нормативній та практичній площині найбільш поширеною є класифікація будівель за питомими витратами енергії на опалення та вентиляцію (таблиця 1.2). Таблиця 1.2 – Відповідність класів енергоефективності будівель питомим витратам теплової енергії Клас Питоме енергоспоживання, Характеристика будівлі енергоефективності кВт·год/(м²·рік) A++ ≤ 15 Будівля з майже нульовим енергоспоживанням A+ 15-30 Пасивна / високоефективна A 30-50 Дуже високий рівень енергоефективності. Будівлі з мінімальними тепловтратами, близькі до пасивних. B 50-75 Високий рівень енергоефективності. Застосовані ефективні конструктивні та теплоізоляційні рішення. C 75-100 Нормативний рівень енергоефективності. Відповідає мінімальним вимогам чинних ДБН. D 100-130 Рівень енергоефективності нижчий за нормативний. Характерний для традиційних конструкцій E 130-160 Низький рівень енергоефективності. Значні тепловтрати через огороджувальні конструкції. F 160-200 Дуже низький рівень енергоефективності. Потребує термомодернізації. G > 200 Критично низький рівень енергоефективності. Будівля не відповідає сучасним вимогам. З наведених даних видно, що досягнення високих класів енергоефективності (A та вище) потребує не лише дотримання нормативних ��-значень огороджувальних конструкцій, але й комплексного інженерного підходу до проєктування, зокрема мінімізації теплових містків та оптимізації конструктивних вузлів. Отже, класи енергоефективності є інтегральним показником якості проєктних 20 рішень і слугують основою для подальшого теплотехнічного обґрунтування конструктивних рішень, виконаного в наступних розділах роботи. 1.4 Роль конструктивних рішень у зниженні енергоспоживання будівель Зниження енергоспоживання будівель є результатом комплексного впливу архітектурно-планувальних, конструктивних та інженерних рішень. Серед них саме конструктивні рішення огороджувальних конструкцій і вузлів примикання відіграють визначальну роль у формуванні теплового балансу будівлі, оскільки безпосередньо впливають на величину тепловтрат через огороджувальну оболонку. Конструктивні рішення визначають не лише товщину та склад огороджувальних конструкцій, але й просторову безперервність теплоізоляційного контуру, характер примикання несучих елементів та умови виникнення або мінімізації теплових містків. Навіть за нормативно допустимих або занижених значень коефіцієнтів теплопередачі окремих конструкцій нераціональні конструктивні вузли можуть призводити до істотного зростання сумарних тепловтрат і, відповідно, енергоспоживання будівлі. Особливо суттєвою роль конструктивних рішень є для будівель із монолітним залізобетонним каркасом, у яких несучі елементи часто перетинають утеплювальний контур. У таких будівлях торці плит перекриттів, вузли лоджій, примикання до перекриттів над неопалюваними приміщеннями та зони встановлення світлопрозорих конструкцій є потенційними джерелами підвищених тепловтрат. Відсутність конструктивного опрацювання цих вузлів може істотно знизити ефективність застосування сучасних теплоізоляційних матеріалів. Нормативна значущість конструктивних рішень підкреслюється положеннями ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель». Згідно з п. 6.6.2 зазначених норм, під час визначення показників енергетичної ефективності будівель необхідно враховувати додаткові теплові втрати, зумовлені наявністю лінійних і точкових теплових містків у місцях примикання та перетину огород- жувальних конструкцій. Крім того, відповідно до п. 5.2 ДБН В.2.6-31:2021, конструктивні рішення огороджувальних елементів повинні забезпечувати безперер- вність теплоізоляційного шару та нормативні температури внутрішніх поверхонь [6]. 21 Раціональні конструктивні рішення з позицій енергозбереження передбачають: – забезпечення суцільності теплоізоляційного контуру по всьому периметру будівлі; – мінімізацію наскрізних елементів з підвищеною теплопровідністю; – конструктивне зменшення протяжності теплових містків; – узгодження конструктивних рішень з результатами теплотехнічних розрахунків і вимогами нормативних документів. З урахуванням викладеного, конструктивні рішення впливають не лише на величину поточних тепловтрат, але й на довгострокові експлуатаційні показники будівлі, зокрема витрати на опалення, рівень теплового комфорту та ризик виникнення дефектів, пов’язаних із промерзанням і зволоженням огороджувальних конструкцій. Таким чином, конструктивні рішення є одним із ключових чинників зниження енергоспоживання будівель і повинні розглядатися як невід’ємна складова енергоефективного проєктування. Наведені положення створюють теоретичну основу для подальшого аналізу конструктивних рішень огороджувальних конструкцій і вузлів примикання, що детально розглядаються в наступних розділах магістерської роботи. Висновки до розділу 1 У розділі 1 узагальнено нормативно-теоретичні засади проєктування енергозберігаючих будівель відповідно до чинних вимог ДБН В.2.6-31:2021 та гармонізованих стандартів ДСТУ EN ISO серії 6946, 10211, 13789 [6, 11, 12, 13]. Показано, що рівень енергоефективності сучасних житлових будівель визначається не лише величиною термічного опору окремих огороджувальних конструкцій, а й цілісністю теплової оболонки, наявністю та інтенсивністю теплових містків, повітропроникністю та якістю вузлових рішень. Аналіз нормативних вимог до коефіцієнтів теплопередачі дозволив встановити граничні та рекомендовані значення ��-показників для зовнішніх стін, покриттів, перекриттів над неопалюваними приміщеннями та світлопрозорих конструкцій, які є 22 базою для досягнення класів енергоефективності не нижче B–A для житлових будівель у кліматичних умовах України. Розглянуті класи енергетичної ефективності та їх відповідність питомому енергоспоживанню підтвердили необхідність комплексного підходу до проєктування, коли теплотехнічні параметри конструкцій узгоджуються з архітектурно-планувальними рішеннями та інженерними системами. Особливу увагу в теоретичній частині приділено ролі теплових містків та лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��, які, за даними нормативних і наукових джерел, можуть формувати до 15–30 % сумарних тепловтрат каркасних будівель. Це обґрунтовує необхідність детального аналізу конструктивних вузлів та застосування безперервного теплоізоляційного контуру як одного з ключових принципів енергоефективного проєктування. Таким чином, розділ 1 створює теоретичну і нормативну основу для подальшого інженерного обґрунтування. Отримані положення щодо допустимих ��-значень, класів енергоефективності та ролі теплових містків зумовлюють перехід до розгляду конкретних конструктивних рішень огороджувальних елементів будівлі. У розділі 2 на цій основі буде виконано аналіз конструкцій зовнішніх стін, перекриттів, покриття, світлопрозорих елементів і вузлів примикання, що дозволить оцінити, яким чином обрані конструктивні схеми забезпечують виконання нормативних вимог та формують енергоефективну теплову оболонку будівлі. 23 2 КОНСТРУКТИВНІ РІШЕННЯ ОГОРОДЖУВАЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ На основі нормативно-теоретичних положень, викладених у розділі 1, у цьому розділі здійснюється перехід до аналізу конструктивних рішень огороджувальних конструкцій, що застосовуються в сучасних енергозберігаючих будівлях. Огороджувальні конструкції формують теплову оболонку будівлі та визначають величину тепловтрат, рівень теплового комфорту приміщень і довговічність будівельних елементів. Відповідно до вимог ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель», конструктивні рішення огороджувальних конструкцій повинні забезпечувати нормативні показники теплового захисту, безперервність теплоізоляційного контуру та мінімізацію теплових містків у вузлах примикання. Це зумовлює необхідність розглядати огороджувальні конструкції не ізольовано, а як взаємопов’язану систему елементів і вузлів. У підрозділі 2.1 розглядаються конструктивні рішення зовнішніх стін, зокрема багатошарові системи з зовнішнім утепленням, які є базовим елементом енергозберігаючих фасадів. Увага приділяється складу шарів, їх функціональному призначенню та впливу на теплотехнічні характеристики стін. Підрозділ 2.2 присвячений конструктивним рішенням перекриттів і покриттів, які істотно впливають на тепловтрати будівлі, особливо у зонах контакту з неопа- люваними приміщеннями та зовнішнім повітрям. Розглядаються питання теплоізо- ляції перекриттів і забезпечення безперервності утеплення в характерних вузлах. У підрозділі 2.3 розглядаються світлопрозорі огороджувальні конструкції як елементи з підвищеними тепловтратами. Аналізуються конструктивні особливості віконних систем, типи склопакетів та принципи їх монтажу з урахуванням енергозберігаючих вимог. Особливу увагу в підрозділі 2.4 приділено конструктивним вузлам і тепловим місткам, які є критичними з точки зору формування додаткових тепловтрат у каркасних будівлях. Розглядаються типові вузли примикання та принципи їх конструктивного опрацювання з метою зниження лінійних теплових втрат. 24 Завершальним є підрозділ 2.5, у якому розглядаються питання герметичності будівлі та повітрообміну як важливої складової енергоефективності. Показано взаємозв’язок між конструктивними рішеннями огороджувальних конструкцій, повітропроникністю та неконтрольованими тепловтратами через інфільтрацію повітря. Таким чином, розділ 2 формує комплексне уявлення про конструктивні рішення огороджувальних конструкцій у контексті енергозбереження та є основою для подальшого теплотехнічного аналізу і кількісної оцінки тепловтрат будівлі, виконаних у розділі 3. 2.1 Конструкції зовнішніх стін енергозберігаючих будівель Зовнішні стіни є одним з основних елементів будівельної оболонки та відіграють визначальну роль у формуванні теплового балансу будівлі. Через зовнішні стіни відбувається значна частка тепловтрат, тому їх конструктивне рішення безпосередньо впливає на рівень енергоефективності будівлі та можливість досягнення високих класів енергоефективності [18, 20]. У сучасному енергозберігаючому будівництві зовнішні стіни проєктуються як багатошарові огороджувальні конструкції, у яких кожен шар виконує чітко визначену функцію: несучу, теплоізоляційну, захисну або декоративну. Основним принципом формування таких конструкцій є забезпечення низького коефіцієнта теплопередачі, відсутності теплових містків та дотримання вимог волого- і повітрорежиму [18, 27]. Основні вимоги до конструкцій зовнішніх стін наступні: – відповідність нормативним значенням коефіцієнта теплопередачі ��; – безперервність теплоізоляційного шару; – запобігання утворенню теплових містків; – забезпечення довговічності та надійності конструкції; – технологічність виконання та економічна доцільність. Розглянемо традиційну багатошарову стіну з зовнішнім утепленням (ETICS) зображену на рисунку 2.1. Склад шарів (зсередини назовні): 25 1 – внутрішня штукатурка (10-15 мм); 2 – стіна з газобетонних блоків, 250-300 мм; 3 – теплоізоляційний шар (мінеральна вата або пінополістирол, 120-150 мм); 4 – армований базовий шар; 5 – декоративно-захисна штукатурка. Рисунок 2.1 – Схема системи зовнішньої теплоізоляції фасаду типу ETICS з основними конструктивними шарами Таке конструктивне рішення є одним з найбільш поширених у сучасному житловому будівництві. Перевагою системи є відносна простота монтажу та можливість досягнення нормативних значень коефіцієнта теплопередачі зовнішніх стін на рівні �� ≤ 0,30 Вт/(м²·К). Стіна з вентильованим фасадом зображена на рисунку 2.2. Склад шарів (зсередини назовні): 1 – внутрішнє оздоблення; 2 – стіна з газобетонних блоків, 200-250 мм; 3 – теплоізоляційний шар (мінеральна вата, 120-160 мм); 4 – повітряний вентильований зазор (30-50 мм); 5 – фасадне облицювання (керамограніт, фіброцементні плити, композитні панелі). 26 Рисунок 2.2 – Конструктивна схема зовнішньої стіни з вентильованим фасадом Вентильований фасад забезпечує ефективний захист теплоізоляції від зволоження та сприяє стабілізації температурно-вологісного режиму стіни. Такі конструкції характеризуються підвищеною довговічністю та стабільними теплотехнічними показниками протягом експлуатації [20]. Приведемо приклад енергоефективної шаруватої стіни для будівель підвищеного класу (A-B). Склад шарів (зсередини назовні) наступний: 1 – внутрішня гіпсова штукатурка; 2 – стіна з газобетонних блоків (300-375 мм); 3 – зовнішній теплоізоляційний шар (мінеральна вата, 160-200 мм); 4 – захисний шар (штукатурка або фасадні панелі). Таке конструктивне рішення дозволяє досягати значень коефіцієнта теплопередачі �� = 0,18-0,22 Вт/(м²·К), що відповідає вимогам до будівель з високим рівнем енергоефективності. Порівняння теплоефективних характеристика конструкцій зовнішніх стін приведене в таблиці 2.1. Таблиця 2.1 – Порівняльна характеристика конструкцій зовнішніх стін Загальна товщина стіни, Орієнтовне значення ��, Тип конструкції мм Вт/(м²·К) Цегляна стіна з ETICS 400-450 0,25-0,30 Стіна з вентильованим фасадом 450-500 0,22-0,28 Високоефективна багатошарова стіна 500-550 0,18-0,22 27 Таким чином, конструктивне рішення зовнішніх стін є ключовим фактором формування енергоефективності будівлі. Застосування багатошарових стін з ефективними теплоізоляційними матеріалами дозволяє суттєво зменшити тепловтрати, підвищити комфорт внутрішнього середовища та забезпечити відповідність будівель сучасним нормативним вимогам. 2.2 Конструктивні рішення перекриттів і покриттів Перекриття та покриття належать до ключових елементів будівельної оболонки, через які відбуваються суттєві тепловтрати, особливо в умовах холодного клімату. Неправильні конструктивні рішення або недостатня теплоізоляція цих елементів призводять до підвищених витрат енергії на опалення, утворення конденсату та зниження довговічності конструкцій. Тому під час проєктування енергозберігаючих будівель особлива увага приділяється забезпеченню нормативних теплотехнічних показників перекриттів і покриттів, безперервності теплоізоляційного контуру та усуненню теплових містків у вузлах примикання [24, 28]. Основні вимоги до перекриттів і покриттів наступні: – досягнення нормативних значень коефіцієнта теплопередачі ��; – безперервність теплоізоляційного шару в зоні примикання до зовнішніх стін; – забезпечення належного волого- та парорежиму; – конструктивна надійність і довговічність; – технологічність монтажу та ремонтопридатність. Розглянемо перекриття над неопалюваними підвалами та проїздами. Вони є важливим елементом огороджувальної оболонки будівлі, оскільки через нього відбуваються істотні тепловтрати з опалюваних приміщень. Особливістю таких перекриттів є контакт з холодним або слабко вентильованим повітряним середовищем, що потребує обов’язкового влаштування ефективного теплоізоляційного шару та конструктивного опрацювання вузлів примикання до зовнішніх стін. Найефективнішим рішенням є утеплення з боку холодного простору, що зменшує ризик конденсації вологи в товщі конструкції. 28 Деталізоване типове конструктивне рішення шаруватого перекриття над неопалюваним підвалом (зверху вниз) для житлової будівлі з монолітним каркасом зображене на рисунку 2.3. Склад шарів наступний: 1 – чистове покриття підлоги (ламінат / плитка / паркет); 2 – стяжка підлоги (цементно-піщана або самовирівнювальна); 3 – пароізоляційний шар (за потреби - для захисту утеплювача); 4 – залізобетонна плита перекриття (несучий елемент); 5 – теплоізоляційний шар (мінеральна вата або жорсткі плити XPS/EPS); 6 – захисно-декоративний шар з боку підвалу (штукатурка, підшивка, фарбування). Таке компонування дозволяє зменшити тепловтрати через перекриття, а також запобігти охолодженню внутрішньої поверхні підлоги житлових приміщень. Рисунок 2.3 – Схема утеплення перекриття над холодним приміщенням із шаром теплоізоляції знизу плити Схема утеплення перекриття над холодним приміщенням із шаром теплоізоляції поверх плити - це базовий приклад, який ілюструє як ізолюють перекриття над неопалюваним простором зображена на рис. 2.4. Типовий склад шарів (зверху вниз): 1 – підлогове покриття та стяжка; 2 – теплоізоляційний шар (мінвата або екструдований пінополістирол, 80-120 мм); 3 – залізобетонна плита перекриття; 4 – захисно-оздоблювальний шар. За такого рішення можливо досягти значень �� = 0,25-0,30 Вт/(м²·К), що відповідає нормативним вимогам. 29 Рисунок 2.4 – Схема утеплення перекриття над неопалюваним підвалом з теплоізоляцією над плитою Порівняння варіантів утеплення перекриття над неопалюваним приміщенням приведене у таблиці 2.2. Таблиця 2.2 – Порівняння варіантів утеплення перекриття над неопалюваним приміщенням Варіант утеплення Конструктивна Переваги Недоліки Рекомендації схема Утеплення знизу Утеплювач Не зменшує висоту Складніше забезпе- Доцільно для (з боку підвалу) кріпиться до житлових чити суцільність реконструкції та нижньої поверхні приміщень; утеплення в вузлах; неопалюваних плити перекриття Простий монтаж Ризик механічних паркінгів при реконструкції пошкоджень Утеплення зверху Утеплювач Найкращі тепло- Збільшення Оптимально для (у конструкції укладається над технічні показники; товщини підлоги; нового підлоги) плитою під Мінімальні теплові Вплив на висоту будівництва стяжкою містки приміщень Утеплення між Утеплювач між Економія матеріалу Залишаються Обмежено балками (для несучими теплові містки; застосовується, ребристих елементами Складні вузли потребує перекриттів) додаткових заходів Ефективнішим над неопалюваним поверхом (підвалом, паркінгом) є нижнє утеплення – тобто теплоізоляція зі сторони холодного приміщення, оскільки воно забезпечує: – безперервний тепловий контур: плита входить у «теплу зону», теплові потоки мінімізуються; – менше теплових містків у вузлах стіна-перекриття; – стабільніша температура плити - менший ризик конденсації; 30 – краще з погляду ДБН для житлових будівель з неопалюваними нижніми приміщеннями. У випадку верхнього утеплення маємо: – плита залишається холодною - теплові містки по периметру; – вищий ризик конденсації в товщі плити/швах; – втрата висоти приміщення (критично для житлових поверхів); – складніше забезпечити нормативну ефективність без збільшення товщини. Верхнє утеплення застосовується коли немає доступу до підвалу/паркінгу чи при реконструкції з обмеженнями. При цьому щоб отримати �� ≤ 0,30, зазвичай потрібна більша товщина утеплювача і ретельніше ізольовані вузли. Порівняння варіантів ефективності утеплення над неопалюваним поверхом у житловому будинку приведене у таблиці 2.3. Таблиця 2.3 – Ефективність варіантів утеплення у житловому будинку Критерій Нижнє утеплення Верхнє утеплення Енергоефективність Висока Середня Теплові містки Мінімальні Значні Конденсаційні ризики Низькі Підвищені Вплив на інтер’єр Немає Є (мінус висота) Лише за відсутності Рекомендація для житла Так альтернатив Утеплення знизу є конструктивно простішим рішенням, однак потребує особливої уваги до вузлів примикання та захисту теплоізоляції від механічних ушкоджень (рис. 2.5). Рисунок 2.5 – Вигляд приміщення паркінгу з утепленим знизу перекриттям Покриття (дахи) над житловими та громадськими будівлями можуть бути 31 плоскими та у вигляді мансарди. Вони поділяються на теплі та інверсійні. Різниця у розташуванні теплоізоляції відносно гідроізоляції. У теплого даху теплоізоляція розміщується під гідроізоляцією, а у інверсійного даху теплоізоляція знаходиться над гідроізоляцією. Розглянемо плоскі покриття. У плоского теплого даху шари (знизу вгору) наступні: ЗБ плита – пароізоляція – утеплювач – гідроізоляція (рис. 2.6). Рисунок 2.6 – Схема плоского теплого покриття Найпоширеніший цей варіант покриття у житлових і громадських будівлях. Його переваги – це простота та менша вартість, але недоліком є те, що гідроізоляція працює в складних температурних умовах. У плоского інверсійного даху (рис. 2.7) шаруватість наступна: ЗБ плита - гідроізоляція – утеплювач (XPS) – баласт/покриття. Застосовується цей варіант у облаштуванні терас, у випадку експлуатованих дахів, при підвищених вимогах до довговічності. Перевагою цього покриття є захищеність гідроізоляції та висока довговічність. Недоліком є значна ціна та високі вимоги до матеріалу утеплювача. Перевагою інверсійного плоского даху також є можливість використання його для облаштування під зелені зони відпочинку (рис. 2.8). Теплий похилий дах – це конструктивне рішення, за якого теплоізоляційний шар розташовується в площині огороджувальної конструкції покриття, безпосередньо під покрівельним матеріалом. Такий тип даху є типовим для житлових будівель з мансардними поверхами (рис. 2.9). Шаруватість теплого похилого даху (зсередини назовні) наступна: 32 Рисунок 2.7 – Конструктивна схема інверсійного плоского даху Рисунок 2.8 – Схема плоского інверсійного покриття з рослинним верхнім шаром 1 – внутрішнє оздоблення (гіпсокартон, вагонка тощо); 2 – пароізоляційний шар (обов’язковий); 3 – теплоізоляція між і/або над кроквами (мінеральна вата 200-300 мм); 4 – вітрозахисна дифузійна мембрана; 5 – вентиляційний зазор; 6 – покрівельне покриття (металочерепиця, бітумна черепиця тощо). Особливостями теплого похилого мансардного даху є те, що: – утеплювач працює в сухих і теплих умовах; 33 – висока енергоефективність за умови правильної пароізоляції; – критичне значення має герметичність внутрішнього шару. Рисунок 2.9 – Теплий похилий мансардний дах Інверсійний мансардний дах рідкісний, він характеризується розташуванням теплоізоляційного шару над гідроізоляцією похилої конструкції, що забезпечує захист гідроізоляційного шару від температурних коливань. Водночас складність конструктивних вузлів, підвищені вимоги до водостійкості теплоізоляції та економічна недоцільність обмежують застосування інверсійних мансардних дахів у житловому будівництві, що обґрунтовує перевагу теплого мансардного даху (таблиця 2.4). Таблиця 2.4 – Порівняння теплого похилого та інверсійного плоского дахів Критерій Теплий похилий дах Інверсійний плоский дах Тип покриття Похилий Плоский Розташування утеплювача Під покрівлею Над гідроізоляцією Основний утеплювач Мінеральна вата XPS Пароізоляція Обов’язкова Обмежено необхідна Вентиляція Обов’язкова Не потребує Ризик зволоження За помилок монтажу Мінімальний Теплотехнічна стабільність Висока Дуже висока Технологічна складність Середня Вища Типове застосування Мансардні житлові будівлі Плоскі дахи, тераси Теплий похилий дах є ефективним і доцільним рішенням для житлових будівель з мансардними поверхами за умови забезпечення герметичної пароізоляції та 34 вентиляції покрівельного простору. Інверсійний дах характеризується підвищеною надійністю та довговічністю гідроізоляції, проте застосовується переважно для плоских покрівель і потребує використання спеціалізованих теплоізоляційних матеріалів. Вибір типу даху визначається архітектурно-планувальними рішеннями будівлі, умовами експлуатації та вимогами до енергоефективності. Для індивідуального житлового будівництва поширеними є похилі покриття (рис. 2.9) з утепленням у міжкрокв’яному просторі. Типовий склад шарів (зсередини назовні): 1 – внутрішнє оздоблення; 2 – пароізоляція; 3 – теплоізоляція між кроквами (мінеральна вата, 180-220 мм); 4 – вітрозахисна мембрана; 5 – покрівельне покриття. Рисунок 2.9 – Схема теплого вентильованого похилого покриття (скатний дах) Запропоновані рішення для похилих дахів дозволяють досягати значень �� = 0,18-0,22 Вт/(м²·К), що відповідає вимогам будівель високих класів енергоефективності. Порівняльна характеристика конструкцій перекриттів і покриттів приведена в таблиці 2.5. З таблиці видно, що конструктивні рішення перекриттів і покриттів мають істотний вплив на енергоефективність будівель. 35 Таблиця 2.5 – Порівняльна характеристика конструкцій перекриттів і покриттів Орієнтовна товщина Тип конструкції Значення ��, Вт/(м²·К) теплоізоляції, мм Перекриття над підвалом 80-120 0,25-0,30 Плоский теплий дах 150-200 0,20-0,25 Інверсійний дах 120-160 0,22-0,28 Похилі покриття 180-220 0,18-0,22 Раціональний вибір типу конструкції, матеріалів та товщини теплоізоляції дозволяє мінімізувати тепловтрати, забезпечити нормативні показники теплового захисту та створити передумови для досягнення високих класів енергоефективності будівель. 2.3 Світлопрозорі огороджувальні конструкції Світлопрозорі огороджувальні конструкції (вікна, балконні двері, фасадні системи) є необхідним елементом сучасних будівель, що забезпечує природне освітлення та візуальний зв’язок із зовнішнім середовищем. Водночас саме через ці елементи відбуваються найбільші питомі тепловтрати порівняно з непрозорими огороджувальними конструкціями, що зумовлює підвищені вимоги до їх конструктивних і теплотехнічних характеристик в енергозберігаючих будівлях [20]. Енергоефективність світлопрозорих конструкцій визначається сукупністю показників, серед яких ключовими є коефіцієнт теплопередачі, герметичність, сонячний фактор та якість монтажу у вузлах примикання до зовнішніх стін. Основні вимоги до світлопрозорих конструкцій – відповідність нормативним значенням коефіцієнта теплопередачі ����; – мінімізація тепловтрат через профіль і склопакет; – висока повітро- та водонепроникність; – зменшення теплових містків у зоні монтажу; – забезпечення довговічності та стабільності характеристик у процесі експлуатації. Основний внесок у теплотехнічні властивості світлопрозорих конструкцій роблять склопакети. У сучасному енергозберігаючому будівництві застосовуються двокамерні та потрійні склопакети із склом з низькоемісійним (Low-E) покриттям (рис. 2.10). Камери склопакетів заповнюються інертними газами (аргон, криптон). По 36 периметру склопакету між листами скла установлюються дистанційні рамки з низькою теплопровідністю (warm edge). На відміну від традиційних алюмінієвих рамок, warm edge виготовляють із матеріалів із значно меншою теплопровідністю, щоб зменшити теплові втрати по краю склопакета. Рисунок 2.10 – Переріз енергоефективного багатокамерного вікна з двокамерним склопакетом із теплозахисним покриттям Застосування таких рішень дозволяє знизити коефіцієнт теплопередачі склопакета до ���� = 0,5-0,7 Вт/(м²·К). На рисунку 2.11 зображена схема розташування камер склопакета, газового заповнення та дистанційної рамки типу warm edge, які зменшують тепловтрати через засклення, що забезпечує зниження коефіцієнта теплопередачі світлопрозорої конструкції. Рисунок 2.11 – Конструктивна схема енергоефективного двокамерного склопакету Найбільш ефективним конструктивним рішенням для зниження тепловтрат 37 через світлопрозорі огороджувальні конструкції є поєднання двокамерних склопакетів із монтажем вікон у площині утеплення фасадної системи ETICS. Навіть високоефективні віконні системи не забезпечать необхідного рівня енергоефективності без правильного монтажу. Основними вимогами щодо монтажу є: – розміщення вікна в зоні теплоізоляційного шару стіни; – герметизація монтажного шва; – захист від продування та проникнення вологи; – мінімізація теплових містків у зоні примикання. Неправильний монтаж може збільшити тепловтрати через віконні конструкції на 15-25 %. На рисунку 2.12 показано конструктивне рішення встановлення вікна в зоні теплоізоляційного шару, що дозволяє мінімізувати лінійні теплові містки в місці примикання вікна до зовнішньої стіни. Такий підхід дозволяє зменшити не лише площинні тепловтрати через засклення, але й лінійні теплові втрати в зоні примикання віконних блоків до зовнішніх стін. Віконні профілі істотно впливають на загальний коефіцієнт теплопередачі вікна ����. Найбільш поширеними є ПВХ-профілі з багатокамерною структурою, алюмінієві профілі з терморозривом та дерев’яні і дерево-алюмінієві системи. Рисунок 2.12 – Вузол монтажу віконного блоку в площині утеплення фасадної системи ETICS 38 Для енергозберігаючих будівель доцільним є використання профілів з монтаж- ною глибиною не менше 70-90 мм та підвищеними показниками герметичності. Порівняння характеристик світлопрозорих конструкцій приведене в таблиці 2.6. Таблиця 2.6 – Порівняльна характеристика світлопрозорих конструкцій Тип світлопрозорої Орієнтовне значення Характеристика конструкції ����, Вт/(м²·К) Не відповідає вимогам Однокамерний склопакет 1,4-1,6 енергозберігаючих будівель Відповідає мінімальним Двокамерний склопакет 0,9-1,1 нормативним вимогам Енергоефективне вікно з Low-E 0,7-0,9 Підходить для будівель класу B-C Забезпечує високий рівень Вікно для будівель класу A 0,6-0,8 енергоефективності Отже, світлопрозорі огороджувальні конструкції є критично важливим елементом енергозберігаючих будівель. Раціональний вибір склопакетів, профільних систем та правильний монтаж дозволяють суттєво знизити тепловтрати, підвищити комфорт внутрішнього середовища та забезпечити досягнення високих класів енергоефективності будівель. 2.4 Конструктивні вузли та теплові містки Конструктивні вузли будівельної оболонки є найбільш вразливими зонами з точки зору теплотехнічної ефективності. Саме в місцях примикання огороджу- вальних конструкцій – стін до перекриттів, покриттів, віконних і дверних блоків, балконних плит - найчастіше виникають теплові містки, які призводять до локального збільшення тепловтрат, зниження температури внутрішніх поверхонь та погіршення експлуатаційних характеристик будівлі [23]. Розглянемо класифікацію теплових містків. Тепловим містком називають ділянку огороджувальної конструкції, в якій тепловий опір зменшений порівняно з основною площею огородження, що зумовлює підвищений тепловий потік. Згідно з теплотехнічною класифікацією, теплові містки поділяють на: – геометричні (зміна форми конструкції, кути, ребра); – матеріальні (використання матеріалів з високою теплопровідністю); – конструктивні (неперервність теплоізоляційного шару порушена конструктивними 39 елементами). У сучасному енергозберігаючому будівництві саме конструктивні теплові містки є найбільш критичними, оскільки вони безпосередньо залежать від прийнятих інженерних рішень. Наявність теплових містків впливає на енергоефективність будівлі. Загальні тепловтрати будівлі збільшуються на 10-30 %. Знижується температури внутрішніх поверхонь конструкцій, утворюється конденсат та розвивається пліснява, а також погіршується довговічність конструкцій і оздоблювальних матеріалів. Крім того, теплові містки негативно впливають на показники енергоефектив- ності будівлі та можуть унеможливити досягнення високих класів енергоефек- тивності (A-B), навіть за умови відповідності огороджувальних конструкцій нормативним значенням коефіцієнта теплопередачі. До найбільш проблемних конструктивних вузлів належать: – примикання зовнішніх стін до міжповерхових перекриттів (рис. 2.13); – вузли спирання балконних плит (2.14); – монтажні вузли світлопрозорих конструкцій (рис. 2.15); – примикання покриттів і дахів до зовнішніх стін (рис. 2.20); – вузли стикування фундаментів і стін (рис. 2.18). У цих місцях відбувається порушення однорідності теплоізоляційного шару, що призводить до виникнення лінійних теплових містків і додаткових тепловтрат, які не враховуються при оцінці лише площинних коефіцієнтів теплопередачі. Рисунок 2.13 – Схема теплового містка у вузлі перекриття – стіна 40 На рисунку 2.13 показано зону утворення теплового містка в місці примикання залізобетонної плити перекриття до огороджувальної конструкції та шляхи теплового потоку при облаштуванні термовставки. На рис. 2.14 зображено вузол примикання міжповерхового залізобетонного пере- криття до утепленої зовнішньої стіни із газобетонних блоків з фасадною системою ETICS. Рисунок 2.14 - Вузол примикання міжповерхового перекриття до зовнішньої стіни з фасадною системою ETICS На рисунку 2.15 ілюстровано тепловий місток (вузол без терморозриву), утворений винесеною залізобетонною плитою лоджії, що є продовженням плити перекриття. Рисунок 2.15 – Конструктивний вузол лоджії як джерело підвищених теплових втрат 41 На рисунку 2.16 ілюстровано приклад рішення вузла плита перекриття – лоджія з терморозривом. Для розриву містка холоду між плитою перекриття і плитою лоджії облаштовується термовставка. Рисунок 2.16 – Конструктивна схема вузла плита перекриття – лоджія з терморозривом На рисунку 2.17 показано зміну теплових потоків у зоні примикання віконного блоку до зовнішньої стіни при монтажі світлопрозорих конструкцій у теплоізолюю- чому шарі. На рисунку зображене порушення безперервності теплоізоляційного шару та підвищену щільність теплового потоку в зоні монтажного шва у випадку установки світлопрозорих конструкцій у стіни з газоблоків. Рисунок 2.17 – Схема утворення теплового містка у вузлі примикання віконного блоку до зовнішньої стіни 42 Тепловий потік через перекриття між опалюваним приміщенням та холодним простором за недостатньої теплоізоляції показано на рисунку 2.18. Рисунок 2.18 – Вузол перекриття над неопалюваним підвалом (паркінгом) з теплоізоляцією Стрілками показано напрямки та інтенсивність теплових потоків у характерних вузлах примикання, що формують лінійну складову тепловтрат будівлі. Кожен із зазначених вузлів потребує індивідуального конструктивного опрацювання з урахуванням безперервності теплоізоляційного шару та особливостей теплового потоку (рис. 2.19, 2.20). Рисунок 2.19 – Узагальнена схема теплових потоків у конструктивних вузлах огороджувальної оболонки 43 Рисунок 2.20 – Схема теплових потоків у вузлі примикання даху до стіни Для зменшення впливу теплових містків у сучасному будівництві застосовуються такі інженерні рішення: – забезпечення безперервного теплоізоляційного контуру по всій оболонці будівлі; – використання терморозривів у місцях спирання балконних плит; – винесення світлопрозорих конструкцій у площину теплоізоляції; – застосування матеріалів з низькою теплопровідністю в зоні вузлів; – ретельна герметизація монтажних і деформаційних швів. Особливо ефективним є використання спеціалізованих конструктивних елементів з вбудованими теплоізоляційними вставками, які дозволяють значно зменшити лінійний коефіцієнт теплопередачі вузла. У проєктній практиці теплові містки оцінюються за допомогою лінійного коефіцієнта теплопередачі ��, який враховує додаткові тепловтрати, не охоплені розрахунками плоских огороджувальних конструкцій. Чим менше значення ��, тим ефективнішим є конструктивне рішення вузла. Для енергозберігаючих будівель рекомендується: – мінімізувати кількість вузлів з ненульовим ��; – застосовувати вузли з �� ≤ 0,01-0,05 Вт/(м·К); – враховувати теплові містки в загальному енергетичному балансі будівлі. 44 Таким чином, конструктивні вузли та теплові містки є критичним чинником формування енергоефективності будівель. Їх правильне інженерне опрацювання дозволяє не лише зменшити тепловтрати, а й забезпечити довговічність конструкцій, комфорт внутрішнього середовища та відповідність будівель сучасним нормативним вимогам. Аналіз наведених конструктивних вузлів показує, що для будівель із монолітним залізобетонним каркасом найбільш суттєві теплові містки виникають у місцях проходження плит перекриттів, вузлах лоджій, примиканнях світлопрозорих конструкцій та в зоні перекриття над неопалюваними приміщеннями. Саме ці вузли формують значну частку лінійної складової тепловтрат і потребують обов’язкового конструктивного опрацювання на стадії проєктування. Розглянуті у даному підрозділі вузли (примикання міжповерхових перекриттів до зовнішніх стін, вузли лоджій і балконних плит, примикання віконних блоків, стики колон з огороджувальними конструкціями, а також вузол примикання покриття до фасаду) надалі використовуються як розрахункові моделі для визначення лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� відповідно до ДСТУ EN ISO 10211. Числові значення �� для цих вузлів наведено та проаналізовано у розділі 3 (див. табл. 3.4), а їхній внесок у повний коефіцієнт тепловтрат будівлі враховано при визначенні ������ та ������. 2.5 Герметичність будівлі та повітрообмін Герметичність будівельної оболонки є одним з ключових факторів енергоефективності сучасних будівель. Неконтрольована інфільтрація зовнішнього повітря через нещільності огороджувальних конструкцій призводить до значних тепловтрат, погіршення мікроклімату приміщень та зростання навантаження на системи опалення й вентиляції. У зв’язку з цим забезпечення належного рівня герметичності будівлі в поєднанні з організованим повітрообміном є обов’язковою умовою проєктування енергозберігаючих будівель [24, 30]. Герметичність будівельної оболонки характеризує здатність конструкцій протидіяти неконтрольованому проникненню повітря. Основними зонами 45 повітропроникності є стики огороджувальних конструкцій, монтажні шви світлопрозорих елементів, проходи інженерних комунікацій, а також вузли примикання перекриттів і покриттів до зовнішніх стін. Недостатній рівень герметичності може призводити до: – збільшення тепловтрат будівлі на 20-40 %; – локального переохолодження внутрішніх поверхонь; – утворення конденсату в товщі конструкцій; – зниження довговічності будівельних матеріалів. Таким чином, навіть за умови відповідності огороджувальних конструкцій нормативним значенням коефіцієнта теплопередачі, відсутність герметичності здатна істотно знизити загальний рівень енергоефективності будівлі. Вимоги до повітропроникності та герметичності будівельної оболонки встановлюються ДБН В.2.6-31:2021, які передбачають обмеження неконтрольованої інфільтрації повітря через огороджувальні конструкції. Для будівель з підвищеними вимогами до енергоефективності особливо важливим є забезпечення нормативних показників повітропроникності вікон, дверей та монтажних швів. Практичним інструментом оцінки герметичності є випробування методом надлишкового або зниженого тиску (Blower Door Test), що дозволяє виявити нещільності та кількісно оцінити повітропроникність будівлі. На рисунку 2.21 зображена принципова схема проведення випробування будівлі на повітропроникність методом Blower Door відповідно до ДСТУ EN ISO 9972:2019 із створенням режиму розрідження та контрольованого перепаду тиску 50 Па між внутрішнім і зовнішнім середовищем. Випробування виконується при неопалюва- ному горищному просторі, який розглядається як зовнішнє середовище, з метою визначення інтенсивності повітрообміну через огороджувальні конструкції будівлі. До основних інженерних заходів, спрямованих на підвищення герметичності будівлі, належать: – формування безперервного повітронепроникного шару у складі огороджувальних конструкцій; – застосування пароізоляційних і повітронепроникних мембран; 46 – герметизація стиків і примикань спеціальними стрічками та герметиками; – правильний монтаж світлопрозорих конструкцій з використанням багатошарових монтажних швів; – мінімізація кількості проходів інженерних комунікацій через огороджувальні конструкції. Рисунок 2.21 – Принципова схема проведення випробування будівлі на повітропроникність методом Blower Door Ефективність зазначених заходів значною мірою залежить від якості виконання будівельно-монтажних робіт та контролю на етапі зведення будівлі. Герметичність будівлі є важливою складовою її енергоефективності, оскільки неконтрольований повітрообмін через огороджувальні конструкції призводить до додаткових тепловтрат, які не враховуються при аналізі лише теплопередачі через конструкції [8]. Основними шляхами неконтрольованої інфільтрації повітря є монтажні шви, стики конструкцій, примикання вікон і дверей, а також вузли проходження інженерних комунікацій (рис. 2.22). Стрілками показано шляхи проникнення холодного повітря в опалювані приміщення та виходу теплого повітря назовні через негерметичні ділянки огороджувальних конструкцій. 47 Рисунок 2.22 – Схема інфільтрації та ексфільтрації повітря через огороджувальну оболонку будівлі Підвищення герметичності будівлі потребує організації контрольованого повітрообміну, оскільки природна інфільтрація стає недостатньою для забезпечення нормативних санітарно-гігієнічних умов. Найбільш ефективним рішенням у цьому випадку є застосування механічної вентиляції з рекуперацією тепла. Системи вентиляції з рекуперацією дозволяють: – забезпечити нормативний повітрообмін; – зменшити тепловтрати вентиляційного повітря на 60-85 %; – підтримувати стабільний мікроклімат у приміщеннях; – знизити загальне енергоспоживання будівлі. Таким чином, герметичність будівельної оболонки та організований повітрообмін є взаємопов’язаними елементами єдиної системи енергозбереження. Таким чином, забезпечення високого рівня герметичності будівлі в поєднанні з ефективною системою повітрообміну є обов’язковою умовою досягнення високих класів енергоефективності. Раціональне інженерне поєднання конструктивних і вентиляційних рішень дозволяє суттєво зменшити тепловтрати, підвищити комфорт внутрішнього середовища та забезпечити відповідність будівель сучасним нормативним вимогам. 48 Висновки до розділу 2 У другому розділі магістерської роботи розглянуто та проаналізовано основні конструктивні рішення огороджувальних елементів сучасних енергозберігаючих будівель з точки зору їх впливу на рівень енергоефективності. Проведений аналіз показав, що досягнення нормативних та підвищених показників енергоефективності будівель можливе лише за умови комплексного інженерного підходу до проєктування будівельної оболонки. Встановлено, що конструкції зовнішніх стін є базовим елементом теплового захисту будівлі, а застосування багатошарових стін з ефективними теплоізоляцій- ними матеріалами дозволяє суттєво знизити тепловтрати та забезпечити відповідність граничним значенням коефіцієнта теплопередачі. Раціональний вибір матеріалів і товщини теплоізоляції є визначальним фактором досягнення високих класів енергоефективності будівель. Аналіз конструктивних рішень перекриттів і покриттів показав, що ці елементи є одними з найбільш енерговитратних у разі недостатнього теплового захисту. Застосування утеплених перекриттів над неопалюваними приміщеннями, теплих та інверсійних покриттів, а також ефективних рішень для похилих дахів дозволяє зменшити тепловтрати та підвищити довговічність конструкцій. У процесі дослідження світлопрозорих огороджувальних конструкцій встановлено, що вони є найбільш критичними з точки зору теплотехнічної ефективності. Використання енергоефективних склопакетів, профільних систем з низькою теплопровідністю та правильний монтаж у площині теплоізоляції дають змогу істотно знизити питомі тепловтрати та покращити експлуатаційні характеристики будівлі. Особливу увагу приділено конструктивним вузлам та тепловим місткам, які є основним джерелом локальних тепловтрат і можуть суттєво погіршувати енергоефективність будівель навіть за умови відповідності основних огороджувальних конструкцій нормативним вимогам. Доведено, що мінімізація теплових містків шляхом забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру та 49 застосування спеціалізованих конструктивних рішень є необхідною умовою досягнення високих класів енергоефективності. Розглянуто роль герметичності будівельної оболонки та організованого повітрообміну в системі енергозбереження. Встановлено, що підвищення герметичності без впровадження ефективної вентиляції є недоцільним, тоді як застосування систем вентиляції з рекуперацією тепла дозволяє поєднати зниження тепловтрат із забезпеченням нормативних параметрів мікроклімату. Таким чином, результати другого розділу підтверджують, що конструктивні рішення огороджувальних елементів, вузлів і систем повітрообміну є ключовими чинниками формування енергоефективності сучасних будівель. Отримані висновки створюють інженерну основу для подальшого теплотехнічного обґрунтування та кількісної оцінки ефективності прийнятих рішень, що буде виконано у третьому розділі магістерської роботи. 50 3 ТЕПЛОТЕХНІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ РІШЕНЬ У розділі 2 були розглянуті конструктивні рішення огороджувальних конструк- цій та характерні вузли примикання, які визначають теплотехнічні властивості енергоефективної будівлі. Наступним етапом дослідження є кількісне теплотехнічне обґрунтування прийнятих рішень із використанням розрахункових показників, що дозволяють оцінити їхній вплив на загальні тепловтрати та енергетичні характеристики будівлі. Метою цього розділу є визначення та аналіз основних теплотехнічних показників, зокрема коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних конструкцій ��, лінійних коефіцієнтів теплопередачі теплових містків �� та сумарного коефіцієнта теплопередачі будівлі ������. Саме ці показники дозволяють кількісно оцінити ефективність конструктивних рішень і порівняти базовий та поліпшений варіанти огороджувальної оболонки. Теплотехнічні розрахунки виконуються з урахуванням вимог ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель», а також методичних положень ДСТУ EN ISO 10211, який регламентує принципи визначення теплових потоків і лінійних теплових втрат у конструктивних вузлах [6, 12]. Це забезпечує коректний облік як площинної, так і лінійної складових тепловтрат будівлі. У підрозділі 3.1 наведено вихідні дані та характеристику об’єкта дослідження, що слугують базою для розрахунків. У підрозділі 3.2 виконано теплотехнічний розрахунок огороджувальних конструкцій із визначенням коефіцієнтів теплопередачі ��та перевіркою їх відповідності нормативним вимогам. У підрозділі 3.3 проаналізовано тепловтрати будівлі з урахуванням лінійних теплових містків та визначено значення коефіцієнтів �� для характерних конструктивних вузлів. У підрозділі 3.4 узагальнено результати розрахунків шляхом визначення сумарного коефіцієнта теплопередачі будівлі ������ та оцінено вплив прийнятих конструктивних рішень на загальні показники енергоефективності. Таким чином, розділ 3 забезпечує кількісне підтвердження ефективності конструктивних рішень, прийнятих у роботі, та створює підґрунтя для подальшої 51 оцінки їх техніко-економічної доцільності й формування практичних рекомендацій, наведених у розділі 4. 3.1 Вихідні дані та характеристика об’єкта дослідження 3.1.1 Загальна характеристика об’єкта Об’єктом дослідження є житлова багатоквартирна будівля для цілорічної експлуатації, розташована у місті Черкаси. Будівля має 9 поверхів і належить до типу середньоповерхової житлової забудови (рис. 3.1). Рисунок 3.1 – Зведення монолітного залізобетонного каркасу житлової будівлі 52 Конструктивна схема – монолітний залізобетонний каркас, що включає систему колон та вертикальних елементів просторової жорсткості (ядра жорсткості). Перекриття виконані у вигляді монолітних залізобетонних плит, що спираються на елементи каркаса. Зовнішні стіни – ненесучі огороджувальні конструкції по каркасу (заповнення міжколонного простору), які виконують теплозахисну та огороджувальну функції (рис. 3.2). Рисунок 3.2 – Монолітний залізобетонний каркас житлової будівлі Будівля має лоджії (36 шт.), що формують велику кількість вузлів примикання і, відповідно, підвищують роль лінійних теплових містків при оцінці енергоефективності [10]. 3.1.2 Геометричні та планувальні параметри (для розрахункової моделі) Геометрія в плані: Габарити будівлі в плані: 40 × 30 м. Площа забудови (площа одного типового поверху в плані): ���������� = 40 ⋅ 30 = 1200м2 . Периметр будівлі: �� = 2(40 + 30) = 140 м. Кількість поверхів: 9. Для теплотехнічної моделі прийнято типову розрахункову висоту поверху ℎ = 3,0 м. Розрахункова висота опалюваної частини �� = 9 ⋅ 3,0 = 27 м. 53 Опалювана площа та об’єм. Опалювана площа приймається як сума площ типових поверхів (для житлової будівлі, без виділення неопалюваних зон у межах поверху): ������ = ���������� ⋅ �� = 1200 ⋅ 9 = 10800м2. Опалюваний об’єм: �� = ������ ⋅ ℎ = 10800 ⋅ 3,0 = 32400 м3. Примітка. Якщо частина будівлі (наприклад, підвал/паркінг) не опалюється, це враховується у 3.3 через температурні умови та через окремі огороджувальні елементи (перекриття над неопалюваним простором). Площа фасадів і засклення (30%): Загальна площа зовнішньої оболонки по вертикалі (площа фасадів без віднімання прорізів): �������� = �� ⋅ �� = 140 ⋅ 27 = 3780 м2. Коефіцієнт засклення фасадів приймається: �� = 0,30. Площа світлопрозорих конструкцій (вікна/балконні двері, у складі фасаду): �������� = �� ⋅ �������� = 0,30 ⋅ 3780 = 1134 м2. Площа непрозорих зовнішніх стін (огороджувальні стіни без засклення): ���������� = �������� − �������� = 3780 − 1134 = 2646 м2. Площа перекриття над неопалюваним підвалом/паркінгом: Оскільки неопалюваний простір (підвал/паркінг) розташований під будівлею, площа перекриття над ним дорівнює площі забудови: ������ = ���������� = 1200 м2. Площа покриття (мансардний теплий дах): Для мансардного (похилого) даху площа покриття більша за площу в плані. Для розрахункової моделі приймаємо типовий коефіцієнт збільшення площі (з урахуванням нахилу скатів) 1,20: ���������� = 1,20 ⋅ �� 2 �������� = 1,20 ⋅ 1200 = 1440 м . 54 3.1.3 Кліматичні умови та розрахункові температури Розрахунки виконуються для умов міста Черкаси. Прийняті розрахункові параметри: – розрахункова температура зовнішнього повітря (зима): ���� = −22∘C; – розрахункова температура внутрішнього повітря: ���� = +20∘C; – температурний напір: Δ�� = ���� − ���� = 42 К; – тривалість опалювального періоду: 180 діб (для річних оцінок у 3.4). 3.1.4 Прийняті конструктивні рішення огороджувальних елементів (моделі) А) Зовнішні стіни (ненесучі по каркасу) Заповнення міжколонного простору: газобетон 250 мм. Фасад: ETICS (для розрахункової частини приймається як базове рішення роботи): утеплювач 180 мм, армований шар ≈5 мм, декоративний шар ≈2-3 мм. Ключова вимога: безперервність утеплювального контуру з перекриттям торців плит та зон примикання колон. Б) Перекриття (монолітні ЗБ плити) Плити перекриття: монолітні, типова товщина 200 мм. У вузлах примикання до фасаду передбачаються рішення щодо зменшення лінійних теплових втрат (див. 2.4), оскільки торці плит у каркасних будівлях є одним з найсуттєвіших теплових містків. В) Покриття (мансардний теплий дах) Теплий похилий дах мансардного типу з теплоізоляцією 250 мм (мінераловатний утеплювач) і обов’язковими шарами пароізоляції та вентиляції підпокрівельного простору. Г) Перекриття над неопалюваним підвалом/паркінгом ЗБ плита + теплоізоляція зі сторони холодного приміщення (або в конструкції підлоги опалюваного приміщення) – товщина 120 мм. Враховується як окрема огороджувальна конструкція між опалюваним і неопалюваним середовищем. Д) Світлопрозорі конструкції Вікна з енергоефективним склопакетом (прийнято засклення 30% фасаду), монтаж у зоні утеплення з герметизацією монтажних швів. 55 3.1.5 Орієнтовні теплотехнічні показники (початкові для моделі) Для попередньої моделі (у 3.2 уточнюються за фактичним складом шарів і ��- характеристиками): – зовнішні стіни: ���������� ≈ 0,14-0,18 2 Вт/(м ⋅ К) (газобетон 250 мм + ETICS 180 мм – очікувано низьке U); 2 – покриття (мансардне, утеплення 250 мм): ���������� ≈ 0,14-0,16Вт/(м ⋅ К); 2 – перекриття над неопалюваним приміщенням: ������ ≈ 0,20-0,30 Вт/(м ⋅ К) (залежить від товщини/розміщення утеплення); 2 – вікна: ���� ≈ 0,8-1,1 Вт/(м ⋅ К). 3.1.6 Ключові вузли та потенційні теплові містки Для монолітної каркасної будівлі найбільш суттєвий вплив на енергоефективність мають: – вузол торця плити перекриття по фасаду (лінійний тепловий місток); – примикання колон/ригелів до огороджувальних стін; – вузол «вікно-стіна» (монтажний шов, укоси, примикання до ETICS); – вузли лоджій (36 шт.) як джерело додаткових лінійних тепловтрат; – примикання покриття (мансардного даху) до фасадних стін. Ці вузли підлягають подальшому аналізу в 3.3 з визначенням лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� та їх внеску в сумарний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������. 3.2.Теплотехнічний розрахунок огороджувальних конструкцій 3.2.1 Методика теплотехнічного розрахунку огороджувальних конструкцій Теплотехнічний розрахунок огороджувальних конструкцій у даній роботі виконується з метою визначення коефіцієнтів теплопередачі окремих елементів огороджувальної оболонки будівлі, а також для подальшої оцінки їх внеску в сумарні 56 тепловтрати будівлі. Методика розрахунку базується на положеннях ДБН В.2.6- 31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель» та узгоджується з принципами стаціонарного теплопереносу через багатошарові конструкції [9, 13, 14]. Розрахунок теплопередачі через огороджувальні конструкції здійснюється в припущенні стаціонарного одномірного теплового потоку, перпендикулярного до площини конструкції. Вплив вологи, сонячної радіації та нестаціонарних процесів у межах підрозділу 3.2 не враховується та аналізується опосередковано на етапі оцінки експлуатаційних умов. Кожна огороджувальна конструкція розглядається як сукупність послідовно розташованих шарів з відомими геометричними параметрами та коефіцієнтами теплопровідності. Сумарний термічний опір багатошарової огороджувальної конструкції визначається за формулою: �� ���� ��Σ = ������ + ∑ + ������ , ���� ��=1 де: ������ – внутрішній поверхневий опір тепловіддачі, м²·К/Вт; ������ – зовнішній поверхневий опір тепловіддачі, м²·К/Вт; ���� – товщина j-го шару конструкції, м; ���� – коефіцієнт теплопровідності j-го шару, Вт/(м·К). Значення поверхневих опорів тепловіддачі приймаються відповідно до напрямку теплового потоку (через стіни, покриття або перекриття над неопалюваним приміщенням). Коефіцієнт теплопередачі огороджувальної конструкції визначається як обернена величина сумарного термічного опору: 1 �� = , ��Σ де �� – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К). 57 Отримані значення коефіцієнтів теплопередачі порівнюються з нормативно допустимими значеннями, встановленими ДБН В.2.6-31:2021, з метою перевірки відповідності конструктивних рішень вимогам енергоефективності. Для кожного виду огороджувальних конструкцій визначається площинний коефіцієнт теплопередачі: ���� = ���� ⋅ ���� , де: ���� – коефіцієнт теплопередачі i-ї конструкції, Вт/(м²·К); ���� – площа відповідної огороджувальної конструкції, м². Площинна складова тепловтрат при заданому температурному напорі Δ�� визначається за формулою: Φ�� = ���� ⋅ Δ��. Сумарний коефіцієнт теплопередачі через огороджувальні конструкції (без урахування теплових містків) визначається як: ������,0 = ∑���� . Отримане значення використовується як базове для подальшого аналізу тепловтрат будівлі. Оскільки для каркасних будівель характерна значна кількість лінійних теплових містків (торці плит перекриттів, вузли лоджій, примикання вікон та колон), у підрозділі 3.2 враховується лише площинна складова тепловтрат. Лінійні теплові втрати будуть враховані окремо у підрозділі 3.3 шляхом визначення лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��відповідно до положень ДСТУ EN ISO 10211 та додавання їх внеску до сумарного коефіцієнта теплопередачі будівлі. Запропонована методика дозволяє коректно визначити коефіцієнти теплопередачі огороджувальних конструкцій і площинну складову тепловтрат будівлі. Отримані результати є вихідними даними для подальшого урахування лінійних теплових містків і формування повної теплотехнічної оцінки енергоефективності будівлі. 58 3.2.2 Зовнішні стіни (газобетон 250 мм + система ETICS 180 мм) Зовнішні стіни досліджуваної будівлі виконані як ненесучі огороджувальні конструкції у межах монолітного залізобетонного каркаса. Заповнення міжколонного простору здійснюється газобетонними блоками, а теплозахисні властивості забезпечуються системою зовнішнього теплоізоляційного оздоблення типу ETICS, що формує безперервний теплоізоляційний контур по фасаду [12]. Для теплотехнічного розрахунку зовнішньої стіни прийнято таку спрощену конструктивну схему (зсередини назовні): – внутрішній поверхневий опір тепловіддачі ������; – газобетонні блоки товщиною 250 мм; – теплоізоляційний шар системи ETICS (мінеральна вата) товщиною 180 мм; – зовнішній поверхневий опір тепловіддачі ������. Тонкі шари внутрішнього та зовнішнього оздоблення (штукатурні, армувальні, декоративні) у теплотехнічному розрахунку не враховуються окремо, оскільки їх внесок у загальний термічний опір є незначним і не впливає на результат у межах точності інженерних розрахунків. Вихідні теплотехнічні параметри матеріалів прийнято типовими. Розрахункові значення коефіцієнтів теплопровідності наступні: – газобетон: ������ = 0,14 Вт/(м·К); – мінеральна вата (ETICS): �������� = 0,040 Вт/(м·К). Поверхневі опори тепловіддачі для вертикальних огороджувальних конструкцій прийняті відповідно до напрямку теплового потоку: – внутрішній поверхневий опір: ������ = 0,13 м2К/Вт; – зовнішній поверхневий опір: ������ = 0,04 м2К/Вт. Розрахунок термічного опору шаруватої зовнішньої стіни визначається за формулою: ���� ���� = . ���� Для газобетонного шару: 59 0,25 ������ = = 1,79 м2К/Вт. 0,14 Для теплоізоляційного шару ETICS: 0,18 �������� = = 4,50м2К/Вт. 0,040 Сумарний термічний опір зовнішньої стіни становить: ��Σ,�������� = ������ + ������ + �������� + ������ = 0,13 + 1,79 + 4,50 + 0,04 = 6,46м2К/Вт. Коефіцієнт теплопередачі зовнішньої стіни визначається як: 1 1 ���������� = = = 0,155 2 Вт/(м ⋅ К). ��Σ,�������� 6,46 Отримане значення характеризує високий рівень теплового захисту зовнішніх стін та відповідає вимогам ДБН В.2.6-31:2021 щодо максимального допустимого коефіцієнта теплопередачі для зовнішніх стін житлових будівель. Застосування системи ETICS з товщиною теплоізоляції 180 мм у поєднанні з газобетонним заповненням дозволяє сформувати ефективну багатошарову конструкцію з низьким коефіцієнтом теплопередачі. Водночас для каркасних будівель принципово важливим є забезпечення безперервності теплоізоляційного шару в зонах примикання до елементів монолітного каркаса, оскільки саме в цих місцях виникають лінійні теплові містки, які не враховуються в площинному коефіцієнті ����������. Урахування впливу таких вузлів виконується на наступному етапі теплотехнічного аналізу при визначенні лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� у підрозділі 3.3. 3.2.3 Покриття (мансардний теплий дах з утепленням 250 мм) Покриття досліджуваної будівлі запроєктовано у вигляді теплого похилого даху мансардного типу, в якому теплоізоляційний шар розташований у площині огороджувальної конструкції. Таке рішення забезпечує формування безперервного теплозахисного контуру та дозволяє використовувати мансардний простір як опалюваний [19, 20]. 60 Для теплотехнічного розрахунку перекриття прийнято таку спрощену схему (зсередини назовні): – внутрішній поверхневий опір тепловіддачі ������; – теплоізоляційний шар (мінеральна вата) товщиною 250 мм; – зовнішній поверхневий опір тепловіддачі ������. Конструктивні елементи покрівлі (крокви, обрешітка, покрівельне покриття), а також паро- та гідроізоляційні шари у теплотехнічному розрахунку не виділяються окремо, оскільки їхній внесок у загальний термічний опір є незначним порівняно з теплоізоляційним шаром. Вихідні теплотехнічні параметри для розрахунку прийнято: – коефіцієнт теплопровідності мінеральної вати: �������� = 0,040 Вт/(м·К); – внутрішній поверхневий опір тепловіддачі (тепловий потік спрямований вгору): ������ = 0,10 м2К/Вт; – зовнішній поверхневий опір тепловіддачі: ������ = 0,04 м2К/Вт. Розрахунок термічного опору покриття. Термічний опір теплоізоляційного шару: 0,25 �������� = = 6,25м2К/Вт. 0,040 Сумарний термічний опір покриття: ��Σ,�������� = ������ + �������� + ������ = 0,10 + 6,25 + 0,04 = 6,39м2К/Вт. Обчислюємо коефіцієнт теплопередачі покриття 1 1 �� 2 �������� = = = 0,156 Вт/(м ⋅ К). ��Σ,�������� 6,39 Отримане значення відповідає вимогам ДБН В.2.6-31:2021 щодо теплового захисту покриттів житлових будівель і забезпечує низький рівень тепловтрат через огороджувальну конструкцію даху. Мансардний теплий дах з товщиною теплоізоляції 250 мм є ефективним конструктивним рішенням з точки зору зниження площинних тепловтрат. Разом з тим у реальних умовах експлуатації на теплотехнічні показники можуть впливати дерев’яні крокви та вузли примикання покриття до фасадних стін, які формують 61 локальні теплові містки. Їхній вплив враховується окремо при аналізі лінійних тепловтрат у підрозділі 3.3. 3.2.4 Перекриття над неопалюваним підвалом/паркінгом (залізобетонна плита 200 мм з теплоізоляцією з холодної сторони) Перекриття між опалюваними житловими приміщеннями та неопалюваним підвалом (паркінгом) є огороджувальною конструкцією, через яку відбуваються значні тепловтрати за рахунок безпосереднього контакту з холодним середовищем [24]. Для зменшення цих втрат у конструкції передбачено теплоізоляційний шар, розташований зі сторони холодного приміщення. Для теплотехнічного розрахунку прийнято таку конструктивну схему перекриття (зверху вниз): – внутрішній поверхневий опір тепловіддачі ������; – монолітна залізобетонна плита перекриття товщиною 200 мм; – теплоізоляційний шар (XPS) товщиною 120 мм; – зовнішній поверхневий опір тепловіддачі ������. Теплотехнічні параметри прийняті наступні. Коефіцієнти теплопровідності: – залізобетон: ������ = 2,0 Вт/(м·К); – теплоізоляція XPS: �������� = 0,034 Вт/(м·К). Поверхневі опори тепловіддачі для теплового потоку, спрямованого вниз: – внутрішній поверхневий опір: ������ = 0,17 м2К/Вт; – зовнішній поверхневий опір: ������ = 0,04 м2К/Вт. Розраховуємо термічний опір перекриття. Термічний опір залізобетонної плити: 0,20 ������ = = 0,10 м2К/Вт. 2,0 Термічний опір теплоізоляційного шару: 0,12 �������� = = 3,53 м2К/Вт. 0,034 62 Сумарний термічний опір перекриття: �� 2 Σ,���� = ������ + ������ + �������� + ������ = 0,17 + 0,10 + 3,53 + 0,04 = 3,84 м К/Вт. Коефіцієнт теплопередачі перекриття: 1 1 ������ = = = 0,26 2 Вт/(м ⋅ К). ��Σ,���� 3,84 Отримане значення відповідає нормативним вимогам щодо теплового захисту перекриттів над неопалюваними приміщеннями. Незважаючи на відносно високу теплопровідність залізобетонної плити, розміщення теплоізоляції зі сторони холодного приміщення дозволяє істотно знизити тепловтрати через перекриття. Разом з тим у зонах примикання перекриття до фасадних стін і колон можливе утворення лінійних теплових містків, які не враховуються в площинному коефіцієнті ������ і потребують окремого аналізу у підрозділі 3.3. 3.2.5 Світлопрозорі огороджувальні конструкції (вікна) Світлопрозорі огороджувальні конструкції є одним із найбільш теплотехнічно вразливих елементів огороджувальної оболонки будівлі, оскільки їх коефіцієнт теплопередачі істотно перевищує відповідні показники непрозорих конструкцій [23, 28]. У зв’язку з цим навіть при відносно помірній частці засклення в загальній площі фасадів вікна формують значну частину площинних тепловтрат будівлі. У досліджуваній будівлі частка засклення фасадів прийнята на рівні 30 %, що відповідає сучасним архітектурним і функціональним вимогам до житлових будівель та суттєво впливає на сумарні тепловтрати. Конструктивна характеристика вікон. Для теплотехнічної моделі прийнято застосування енергоефективних віконних блоків з такими основними характеристиками: – багатокамерний профіль (ПВХ або алюмінієвий з терморозривом); – двокамерний склопакет з низькоемісійним покриттям; – газове заповнення камер (аргон); 63 – монтаж вікон у площині теплоізоляційного шару фасадної системи з багатошаровою герметизацією монтажного шва. Таке конструктивне рішення дозволяє зменшити як площинні тепловтрати через засклення, так і лінійні теплові втрати у вузлах примикання вікон до зовнішніх стін. Вихідні теплотехнічні параметри. Для розрахунків прийнято інтегральний коефіцієнт теплопередачі віконного блоку, який враховує сумарний вплив склопакета, рами та дистанційної рамки: ���� = 0,90 2 Вт/(м ⋅ К). Зазначене значення є типовим для сучасних енергоефективних вікон і відповідає вимогам ДБН В.2.6-31:2021 щодо теплового захисту світлопрозорих огороджувальних конструкцій житлових будівель. Площа світлопрозорих конструкцій, визначена у підрозділі 3.1, становить: �������� = 1134м2. Площинна складова тепловтрат через вікна. Площинний коефіцієнт теплопе- редачі світлопрозорих конструкцій визначається за формулою: �������� = ���� ⋅ ��������. Підставляючи прийняті значення, отримаємо: �������� = 0,90 ⋅ 1134 = 1021 Вт/К. Відповідний тепловий потік через світлопрозорі конструкції при температурному напорі Δ�� = 42 К становить: Φ������ = �������� ⋅ Δ�� = 1021 ⋅ 42 ≈ 42,9 кВт. Отримані результати показують, що, незважаючи на застосування енергоефективних вікон з відносно низьким коефіцієнтом теплопередачі, світлопрозорі конструкції формують найбільшу частку площинних тепловтрат будівлі. Це пояснюється значною площею засклення та істотно вищим значенням ���� порівняно з непрозорими огороджувальними конструкціями. Окрім площинних тепловтрат, важливу роль відіграють лінійні теплові містки у вузлах примикання вікон до зовнішніх стін, пов’язані з монтажними швами та укосами. Вплив цих вузлів не враховується в коефіцієнті ���� і підлягає окремому аналізу у підрозділі 3.3 шляхом визначення лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��. 64 Застосування сучасних енергоефективних вікон дозволяє обмежити тепловтрати через засклення, однак їх внесок у загальний тепловий баланс будівлі залишається визначальним. Це підтверджує доцільність комплексного підходу до підвищення енергоефективності, що поєднує оптимізацію площі засклення, конструкції віконних блоків та вузлів їх примикання. 3.2.6 Узагальнення площинної складової тепловтрат будівлі (визначення ������,��, ������,��) У попередніх підрозділах 3.2.2-3.2.5 було виконано теплотехнічний розрахунок основних огороджувальних конструкцій будівлі з визначенням їх коефіцієнтів теплопередачі ����. На даному етапі здійснюється узагальнення результатів шляхом визначення сумарного коефіцієнта теплопередачі будівлі без урахування лінійних теплових містків, тобто площинної складової тепловтрат. Методика узагальнення. Сумарний коефіцієнт теплопередачі через огороджу- вальні конструкції визначається як сума площинних коефіцієнтів теплопередачі окремих елементів: ������,0 = ∑���� = ∑(���� ⋅ ����), де: ���� – коефіцієнт теплопередачі i-ї огороджувальної конструкції, Вт/(м²·К); ���� – площа відповідної конструкції, м²; ���� – площинний коефіцієнт теплопередачі i-ї конструкції, Вт/К. Тепловий потік через огороджувальні конструкції дорівнює: Φ����,0 = ������,0 ⋅ Δ��, де Δ�� – розрахунковий температурний напір, Δ�� = 42 К . Підсумкові результати розрахунку сумарного коефіцієнту теплопередачі та теплового потоку через огороджувальні конструкції для досліджуваної будівлі (9 поверхів, 40×30 м у плані, 30% засклення, мансардний теплий дах) приведені в таблиці 3.1. 65 Таблиця 3.1 – Сумарний коефіцієнт теплопередачі Площа ����, ����, ���� = ���� ⋅ ����, Φ = �� ⋅ Δ��, Огороджувальна конструкція м² Вт/(м²·К) Вт/К Вт Зовнішні непрозорі стіни 2646 0,155 410 17,215 Покриття (мансардний дах) 1440 0,156 225 9,465 Перекриття над неопалюваним 1200 0,260 313 13,127 підвалом Світлопрозорі конструкції (вікна) 1134 0,90 1021 42,865 Разом (без містків холоду) – – 1968 82,672 Отже, сумарний коефіцієнт теплопередачі будівлі без урахування теплових містків становить: ������,0 = 1968 Вт/К. Відповідний тепловий потік через огороджувальні конструкції дорівнює: Φ����,0 = ������,0 ⋅ Δ�� = 1968 ⋅ 42 ≈ 82,7 кВт. Аналіз структури площинних тепловтрат показує, що найбільший внесок у сумарний коефіцієнт теплопередачі формують світлопрозорі огороджувальні конструкції, частка яких перевищує 50% від загального значення ������,0. Це зумовлено поєднанням значної площі засклення та відносно високого коефіцієнта теплопередачі вікон порівняно з непрозорими огороджувальними конструкціями. Водночас зовнішні стіни та покриття характеризуються низькими значеннями ��, що підтверджує ефективність прийнятих конструктивних рішень з точки зору зниження площинних тепловтрат. Отримане значення ������,0 характеризує площинну складову тепловтрат будівлі та не враховує додаткові тепловтрати, зумовлені наявністю лінійних теплових містків у конструктивних вузлах. Для каркасної будівлі з великою кількістю вузлів примикання (торці плит перекриттів, лоджії, примикання вікон і колон) внесок лінійних теплових втрат може бути суттєвим. У зв’язку з цим у наступному підрозділі 3.3 виконується аналіз тепловтрат будівлі з урахуванням лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� відповідно до вимог ДСТУ EN ISO 10211, а також формується повний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������. 66 3.3. Аналіз тепловтрат будівлі 3.3.1 Аналіз площинних тепловтрат будівлі Площинні тепловтрати будівлі визначаються теплопередачою через основні огороджувальні конструкції за умови стаціонарного теплового режиму та без урахування лінійних теплових містків [11]. На основі розрахунків, виконаних у підрозділі 3.2, сумарний коефіцієнт теплопередачі через огороджувальні конструкції без урахування теплових містків становить ������,0 = 1968 Вт/К, що при розрахунковому температурному напорі Δ�� = 42 К відповідає тепловому потоку Φ����,0 ≈ 82,7 кВт. Структура площинних тепловтрат. Для оцінки внеску окремих огороджувальних елементів у загальні тепловтрати проаналізовано їх частку в сумарному коефіцієнті теплопередачі ������,0: – світлопрозорі конструкції (вікна) – �������� = 1021 Вт/К, що становить близько 52 % від загального значення; – зовнішні непрозорі стіни – ���������� = 410 Вт/К, близько 21 %; – перекриття над неопалюваним підвалом – ������ = 313 Вт/К, близько 16 %; – покриття (мансардний теплий дах) – ���������� = 225 Вт/К, близько 11 %. Отримані результати свідчать про те, що основним джерелом площинних тепловтрат є світлопрозорі огороджувальні конструкції, незважаючи на використання енергоефективних віконних блоків. Це зумовлено поєднанням значної площі засклення (30 % фасадів) та істотно вищого коефіцієнта теплопередачі ���� порівняно з непрозорими огороджувальними конструкціями. Оцінка ефективності непрозорих огороджувальних конструкцій. Низькі 2 значення коефіцієнтів теплопередачі зовнішніх стін (���������� = 0,155Вт/(м ⋅ К)) та покриття (���������� = 0,156 2 Вт/(м ⋅ К)) підтверджують ефективність прийнятих конструктивних рішень із використанням системи ETICS та значної товщини теплоізоляції в покритті. Частка цих елементів у загальних площинних тепловтрат є відносно невеликою, що свідчить про доцільність концентрації заходів з підвищення 67 енергоефективності саме на оптимізації вузлів примикання та світлопрозорих конструкцій. Перекриття над неопалюваним підвалом, попри наявність теплоізоляції, формує помітну частку тепловтрат, що пояснюється значною площею цього елемента та безпосереднім контактом із холодним середовищем. Аналіз площинних тепловтрат показує, що: – прийняті конструктивні рішення для непрозорих огороджувальних конструкцій забезпечують високий рівень теплового захисту; – світлопрозорі конструкції залишаються ключовим фактором теплових втрат навіть за умови застосування енергоефективних вікон; – подальше зниження тепловтрат будівлі шляхом збільшення товщини теплоізоляції непрозорих конструкцій має обмежений ефект порівняно з оптимізацією конструктивних вузлів. У зв’язку з цим наступним етапом аналізу є урахування лінійних теплових містків, характерних для будівель з монолітним залізобетонним каркасом, що виконується у підрозділах 3.3.2–3.3.3. 3.3.2 Аналіз лінійних теплових містків Лінійні теплові містки є характерною особливістю будівель із монолітним залізобетонним каркасом і виникають у місцях порушення однорідності огороджувальної оболонки, зміни геометрії конструкцій або переривання теплоізоляційного шару [12, 21]. На відміну від площинних тепловтрат, лінійні теплові втрати не можуть бути враховані за допомогою коефіцієнтів теплопередачі ��і потребують окремого аналізу. Відповідно до вимог ДБН В.2.6-31:2021 «Теплова ізоляція та енергоефективність будівель», при визначенні теплових характеристик будівлі необхідно враховувати додаткові тепловтрати, зумовлені наявністю теплових містків, зокрема у вузлах примикання огороджувальних конструкцій та елементів каркаса. Ігнорування лінійних теплових містків призводить до заниження розрахункових тепловтрат і 68 некоректної оцінки енергоефективності будівлі. Характерні лінійні теплові містки досліджуваної будівлі. Для досліджуваної будівлі з монолітним залізобетонним каркасом та системою зовнішнього утеплення ETICS ідентифіковано такі основні типи лінійних теплових містків: – вузол торця плити перекриття по фасаду, де залізобетонна плита перетинає теплоізоляційний контур і створює підвищений тепловий потік; – примикання колон та ригелів до зовнішніх стін, характерне для каркасних схем; – вузли лоджій і балконних плит (у даному об’єкті - 36 лоджій), які формують протяжні та енергетично значущі лінійні теплові містки; – вузол «вікно-стіна», пов’язаний із монтажними швами, укосами та зоною розміщення рами; – примикання покриття (мансардного даху) до фасадних стін, де можливе порушення безперервності теплоізоляції. Зазначені вузли мають різну геометрію та теплотехнічну поведінку, що зумовлює необхідність індивідуального підходу до їх оцінки. Нормативні вимоги до урахування лінійних теплових містків. Згідно з ДБН В.2.6-31:2021, сумарні тепловтрати будівлі повинні враховувати як площинну, так і лінійну складову теплопередачі, що забезпечує реалістичну оцінку енергетичних показників. Лінійні теплові містки характеризуються лінійним коефіцієнтом теплопередачі ��, який залежить від конструктивного рішення вузла, матеріалів і взаємного розташування елементів. Нормативні документи підкреслюють, що для каркасних будівель внесок лінійних теплових містків може бути порівнянним або навіть перевищувати площинну складову тепловтрат окремих огороджувальних елементів, особливо за наявності балконів, лоджій та складних вузлів примикання. Роль лінійних теплових містків у тепловому балансі будівлі. На основі результатів підрозділу 3.3.1 можна зробити висновок, що навіть за високого рівня теплового захисту непрозорих огороджувальних конструкцій (низькі значення ��) лінійні теплові містки істотно впливають на загальний тепловий баланс будівлі. Для досліджуваного об’єкта їхній вплив очікувано є суттєвим у зв’язку з: 69 – значною кількістю міжповерхових перекриттів; – наявністю 36 лоджій; – великою площею засклення та протяжністю вузлів «вікно-стіна». Перехід до кількісної оцінки. З огляду на вищевикладене, подальший аналіз тепловтрат будівлі потребує кількісного визначення лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��для характерних конструктивних вузлів. Така оцінка виконується відповідно до положень ДСТУ EN ISO 10211, що регламентує методи визначення теплових потоків і лінійних тепловтрат у будівельних вузлах, і подається у наступному підрозділі 3.3.3. 3.3.3 Кількісна оцінка лінійних теплових містків (визначення коефіцієнтів ��) Кількісна оцінка впливу лінійних теплових містків на тепловтрати будівлі виконується шляхом визначення лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� для характерних конструктивних вузлів [5]. Розрахунок і вибір значень �� здійснюється відповідно до положень ДСТУ EN ISO 10211 «Теплові мости в будівельних конструкціях. Теплові потоки та поверхневі температури. Детальні розрахунки», який регламентує методику двовимірного та тривимірного теплотехнічного аналізу будівельних вузлів. Згідно з зазначеним стандартом, лінійний коефіцієнт теплопередачі визначається як додаткова теплопередача, зумовлена наявністю теплового містка, віднесена до одиниці його довжини, і має розмірність Вт/(м·К). Загальна формула урахування лінійних теплових містків. Сумарна лінійна складова тепловтрат визначається за формулою: ������ = ∑ ���� ⋅ ���� , �� де: ���� – лінійний коефіцієнт теплопередачі i-го вузла, Вт/(м·К); ���� – протяжність відповідного вузла, м; ������ – сумарний коефіцієнт теплопередачі, зумовлений тепловими містками, Вт/К. Отримане значення ������ у подальшому додається до площинної складової 70 ������,0для визначення повного коефіцієнта теплопередачі будівлі ������. Прийняті лінійні теплові містки досліджуваної будівлі. Для будівлі з монолітним залізобетонним каркасом, системою зовнішнього утеплення ETICS та мансардним теплим дахом ідентифіковано такі основні типи лінійних теплових містків: – торці міжповерхових плит перекриттів по фасаду; – вузли лоджій (плити лоджій); – примикання віконних блоків до зовнішніх стін; – примикання покриття (мансардного даху) до фасадних стін; – примикання колон каркаса до огороджувальних стін. Лінійні коефіцієнти теплопередачі характерних конструктивних вузлів визначено відповідно до ДСТУ EN ISO 10211 та приведено у таблиці 3.2. Таблиця 3.2 – Прийняті значення лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� для конструктивних вузлів будівлі ����, № Конструктивний вузол Позначення ���� Коментар Вт/(м·К) Торці міжповерхових плит Характерний місток для ЗБ 1 �� перекриттів по фасаду �������� 0,20 каркаса Найбільш енергоємний 2 Вузол плити лоджії �������� 0,30 вузол Примикання вікна до За монтажу в площині 3 �������� 0,04 зовнішньої стіни утеплення Примикання покриття За умови безперервності 4 ���������� 0,10 (мансардного даху) до фасаду утеплення Примикання колон до Локальні порушення 5 �� огороджувальних стін ������ 0,08 ізоляції Розраховуємо довжини ліній теплових містків. Для торців плит перекриттів по фасаду ���������� лінія теплового містка «торець плити» проходить по всьому периметру на кожному рівні перекриття. Для 9 поверхів приймаємо 9 контурів: ���������� = �� ⋅ 9 = 140 ⋅ 9 = 1260 м. Для лінійного містка «плита лоджії» важлива довжина примикання плити до фасаду ��������. За розміром лоджії 3/3/3 м приймаємо довжину примикання 3 м на одну лоджію: �������� = 36 ⋅ 3 = 108 м. 71 Довжина вузол «вікно-стіна» �������� – це периметр монтажного шва по контуру світлопрозорого елемента. Приймаємо типові габарити: – вікно ≈ 1,5 × 1,5 м, периметр 2 ∙ (1,5 + 1,5) = 6 м – балконний блок (вікно+двері як один елемент) ≈ 1,5 × 1,5+ 0,9 × 2,1 За монтажем це один блок, але контур по фасаду практично дає також близько 6 м для типового блоку (в дипломній моделі приймається 6 м як усереднена величина для одного блоку). Тоді: �������� = 72 ⋅ 6 + 36 ⋅ 6 = 648 м. Лінія примикання «покриття-фасад» ���������� даху до фасадів проходить по периметру: ���������� = �� = 140 м. Примикання фасадних колон 34 шт. до огороджувальних стін �������� створює лінійний місток «колона-стіна», що має вертикальну протяжність по висоті опалюваної частини: �������� = 34 ⋅ 27 = 918 м. Для розрахунку ������ беремо значення ��відповідно до табл. 3.2: – ���������� = 0,20Вт/(м·К); – �������� = 0,30Вт/(м·К); – �������� = 0,04Вт/(м·К); – ���������� = 0,10Вт/(м·К); – �������� = 0,08Вт/(м·К). Розрахунок внесків ������ по вузлах приведений у таблиці 3.3. Таблиця 3.3 – Таблиця розрахунку внесків ������ по вузлах. Вузол (табл. 3.2) ����, Вт/(м·К) ����, м ��������, Вт/К Торці плит по фасаду 0,20 1260 252,00 Плита лоджії (36 шт.) 0,30 108 32,40 Вікно-стіна (72 вікна + 36 балк. блоків) 0,04 648 25,92 Покриття-фасад 0,10 140 14,00 Колона-стіна (34 шт.) 0,08 918 73,44 Разом �� ���� 397,76 ������ = 397,76 Вт/К 72 Тепловий потік від містків при Δ�� = 42 К: Φ���� = ������Δ�� = 397,76 ⋅ 42 ≈ 16,71 кВт Повний коефіцієнт теплопередачі ������ маємо з 3.2.6: ������,0 = 1968 Вт/К Тоді: ������ = ������,0 + ������ = 1968 + 397,76 = 2365,76 Вт/К Відповідний тепловий потік буде дорівнювати: Φ���� = ������Δ�� = 2365,76 ⋅ 42 ≈ 99,36 кВт Тоді частка лінійних теплових містків складе: ������ 397,76 = ≈ 20,2% ������,0 1968 Тобто врахування теплових містків збільшує загальну теплопередачу будівлі приблизно на 20 %, що є типовим для каркасних будівель із лоджіями та значною кількістю вузлів примикання. Аналіз таблиці 3.2 показує, що найбільші значення лінійних коефіцієнтів теплопередачі характерні для вузлів, пов’язаних із винесеними залізобетонними елементами, зокрема плитами лоджій. Саме ці вузли формують суттєву частину лінійної складової тепловтрат будівлі, особливо за наявності великої кількості лоджій. Водночас значення �� для вузлів «вікно-стіна» є відносно невеликими завдяки монтажу вікон у площині теплоізоляційного шару та застосуванню сучасних матеріалів герметиків. Перехід до визначення повного коефіцієнта теплопередачі будівлі. Відповідно до табл. 3.2, прийняті значення лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��використовуються у подальших розрахунках для визначення сумарної лінійної складової тепловтрат ������. Отримане значення додається до площинної складової ������,0 з метою визначення повного коефіцієнта теплопередачі будівлі ������, що виконується у наступному підрозділі 3.4. 73 3.4 Вплив конструктивних рішень на показники енергоефективності будівлі У підрозділах 3.2 та 3.3 було послідовно визначено площинну та лінійну складові тепловтрат будівлі. На даному етапі виконується узагальнення отриманих результатів з метою оцінки впливу прийнятих конструктивних рішень на загальні показники енергоефективності будівлі [2, 4]. Сформуємо повний коефіцієнт теплопередачі будівлі. Він визначається як сума площинної складової тепловтрат через огороджувальні конструкції та лінійної складової, зумовленої тепловими містками: ������ = ������,0 + ������ , де: ������,0 – сумарний коефіцієнт теплопередачі без урахування теплових містків, визначений у підрозділі 3.2.6; ������ – сумарний коефіцієнт теплопередачі, зумовлений лінійними тепловими містками, визначений відповідно до підрозділу 3.3.3 на основі значень ��, наведених у табл. 3.2. За результатами розрахунків отримано: ������,0 = 1968 Вт/К, ������ = 397,76 Вт/К. Тоді повний коефіцієнт теплопередачі будівлі становить: ������ = 1968 + 397,76 = 2365,76 Вт/К. Відповідний тепловий потік через огороджувальну оболонку будівлі при розрахунковому температурному напорі Δ�� = 42 Кдорівнює: Φ���� = ������ ⋅ Δ�� ≈ 2365,76 ⋅ 42 ≈ 99,4 кВт. Виконаємо аналіз впливу лінійних теплових містків. Як показали результати підрозділу 3.3.3, відповідно до табл. 3.2, найбільший внесок у лінійну складову тепловтрат формують вузли, пов’язані з винесеними залізобетонними елементами та перериванням теплоізоляційного контуру, зокрема: – торці міжповерхових плит перекриттів по фасаду; – вузли плит лоджій (у досліджуваній будівлі – 36 лоджій); 74 – примикання колон монолітного каркаса до зовнішніх огороджувальних стін. Частка лінійної складової тепловтрат у загальному тепловому балансі будівлі становить: ������ 397,76 = ≈ 0,20, ������,0 1968 тобто близько 20 % від площинної складової. Це підтверджує суттєвий вплив теплових містків на загальні показники енергоефективності будівлі, особливо для каркасних схем із великою кількістю конструктивних вузлів. Розглянемо вплив конструктивних рішень на енергоефективність. Прийняті конструктивні рішення – зовнішні стіни з системою ETICS, теплий мансардний дах з товстим теплоізоляційним шаром, утеплене перекриття над неопалюваним паркінгом та енергоефективні світлопрозорі конструкції – забезпечують низькі значення коефіцієнтів теплопередачі площинних елементів. Однак результати аналізу показують, що загальна енергоефективність будівлі визначається не лише рівнем теплоізоляції огороджувальних конструкцій, а й якістю опрацювання конструктивних вузлів. Зменшення значень лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��, наведених у табл. 3.2, шляхом застосування терморозривів у вузлах лоджій, оптимізації примикань плит перекриттів та забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру дозволяє суттєво знизити значення ������ і, відповідно, повний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������. Таким чином, результати теплотехнічного обґрунтування показують, що для будівель з монолітним залізобетонним каркасом вирішальне значення для досягнення високого рівня енергоефективності має комплексний підхід, який поєднує ефективні огороджувальні конструкції з мінімізацією лінійних теплових містків у конструктивних вузлах. Отримані значення ������ є вихідними даними для подальшої оцінки ефективності прийнятих рішень і формування практичних рекомендацій, наведених у розділі 4. 75 Висновки до розділу 3 У розділі 3 виконано комплексне теплотехнічне обґрунтування конструктивних рішень багатоповерхової житлової будівлі з монолітним залізобетонним каркасом. На основі актуальних вихідних даних об’єкта дослідження визначено теплотехнічні характеристики основних огороджувальних конструкцій та проаналізовано їхній вплив на загальні тепловтрати будівлі. За результатами розрахунків встановлено, що прийняті конструктивні рішення для зовнішніх стін, покриття та перекриття над неопалюваним приміщенням забезпечують низькі значення коефіцієнтів теплопередачі та відповідають вимогам чинних нормативних документів. Сумарний коефіцієнт теплопередачі через огороджувальні конструкції без урахування теплових містків становить ������,0 = 1968 Вт/К, що свідчить про високий рівень теплового захисту площинних елементів будівлі. Водночас аналіз лінійних теплових містків, виконаний відповідно до ДСТУ EN ISO 10211, показав їх істотний вплив на загальний тепловий баланс будівлі. З урахуванням лінійних коефіцієнтів теплопередачі ��для характерних конструктивних вузлів (табл. 3.2) сумарна лінійна складова тепловтрат становить ������ = 397,76 Вт/К, що відповідає близько 20 % від площинної складової. У результаті повний коефіцієнт теплопередачі будівлі з урахуванням теплових містків дорівнює ������ = 2365,76 Вт/К. Отримані результати підтверджують, що для будівель каркасного типу вирішальне значення для підвищення енергоефективності має не лише рівень теплоізоляції огороджувальних конструкцій, а й якість конструктивного опрацювання вузлів примикання. Зроблені у розділі 3 висновки є підґрунтям для подальшої оцінки ефективності прийнятих конструктивних рішень, порівняння їх з альтернативними варіантами та формування практичних рекомендацій, наведених у розділі 4. 76 4 ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ТА ПРАКТИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ У попередньому розділі було виконано детальне теплотехнічне обґрунтування конструктивних рішень досліджуваної будівлі з монолітним залізобетонним каркасом, у результаті якого визначено як площинну, так і лінійну складові тепловтрат. Отримані числові значення коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних конструкцій, а також повний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������ дозволяють перейти від суто теплотехнічного аналізу до оцінки ефективності прийнятих рішень з інженерної та практичної точок зору. Метою розділу 4 є аналіз доцільності застосування енергозберігаючих конструк- тивних рішень у сучасних житлових будівлях, а також формування практичних рекомендацій щодо зниження енергоспоживання з урахуванням особливостей каркасної схеми будівлі [25]. Особлива увага приділяється порівнянню традиційних та енергоефективних рішень, оцінці їхнього впливу на тепловтрати будівлі та можливості подальшого підвищення енергоефективності за рахунок оптимізації конструктивних вузлів. У підрозділі 4.1 виконується порівняльний аналіз традиційних і енергозберіга- ючих конструктивних рішень на основі результатів теплотехнічних розрахунків. У підрозділі 4.2 надається техніко-економічна оцінка застосованих рішень з урахуванням їх впливу на зменшення тепловтрат та експлуатаційних витрат. Підрозділ 4.3 присвячений формуванню практичних рекомендацій щодо впровад- ження енергозберігаючих конструкцій у будівельну практику, зокрема для багатоповерхових житлових будівель з монолітним залізобетонним каркасом. 4.1 Порівняльний аналіз традиційних і енергозберігаючих конструктивних рішень Порівняльний аналіз традиційних та енергозберігаючих конструктивних рішень виконується з метою оцінки ефективності прийнятих у роботі підходів до формування огороджувальної оболонки будівлі. Як базовий варіант (“традиційні рішення”) розглядається типова для масової житлової забудови конструкція з мінімально 77 допустимими теплотехнічними показниками, тоді як “енергозберігаючі рішення” відповідають прийнятим у розділі 3 конструктивним рішенням із підвищеним рівнем теплоізоляції та оптимізацією вузлів. 4.1.1 Характеристика порівнюваних варіантів Розглянемо характеристику порівнюваних варіантів житлової будівлі. Традиційні рішення передбачають наступне: – зовнішні стіни з утепленням мінімальної нормативної товщини; – стандартні покриття та перекриття без підвищеного шару теплоізоляції; – типові віконні блоки з гіршими теплотехнічними характеристиками; – відсутність спеціальних заходів щодо зменшення лінійних теплових містків. Енергозберігаючі рішення, прийняті у роботі, включають: – зовнішні стіни з системою ETICS і збільшеною товщиною теплоізоляції – 180 мм; – теплий мансардний дах з товщиною утеплення 250 мм; – утеплене перекриття над неопалюваним паркінгом; – енергоефективні світлопрозорі конструкції; – конструктивну оптимізацію вузлів примикання з урахуванням лінійних теплових містків. 4.1.2 Аналіз отриманих результатів Порівняльний аналіз отриманих результатів, приведений у таблиці 4.1, показує, що застосування енергозберігаючих конструктивних рішень дозволяє суттєво знизити коефіцієнти теплопередачі основних огороджувальних конструкцій. Найбільший ефект досягається за рахунок підвищення теплозахисних властивостей зовнішніх стін і покриття, а також застосування сучасних світлопрозорих конструкцій. Разом з тим результати розрахунків підтверджують, що навіть за низьких значень коефіцієнтів теплопередачі площинних елементів істотний вплив на загальний тепловий баланс будівлі мають лінійні теплові містки, частка яких у досліджуваному об’єкті становить близько 20 %. Це підкреслює важливість комплексного підходу до 78 енергоефективного проєктування, що поєднує теплоізоляційні заходи з оптимізацією конструктивних вузлів. Таблиця 4.1 – Порівняльна характеристика традиційних та енергозберігаючих рішень Традиційні рішення, Енергозберігаючі рішення, Елемент / показник «було» «стало» Утеплення мінімальної Зовнішні стіни Газобетон 250 мм + ETICS 180 мм товщини Коефіцієнт теплопередачі стін ≈ 0,35-0,40 0,155 ����������, Вт/(м²·К) Теплий мансардний дах, Покриття Стандартне утеплення утеплення 250 мм Коефіцієнт теплопередачі покриття ≈ 0,30 0,156 ����������, Вт/(м²·К) Перекриття над неопалюваним Без або з мінімальним ЗБ плита 200 мм + утеплення приміщенням утепленням ������, Вт/(м²·К) ≈ 0,45-0,50 0,26 Енергоефективні Вікна Типові склопакети віконні блоки ����, Вт/(м²·К) ≈ 1,4-1,6 0,90 Детальний розрахунок Урахування теплових містків Формальне або відсутнє за ДСТУ EN ISO 10211 Сумарний коефіцієнт теплопередачі > 2400 1968 без містків ������,0, Вт/К Повний коефіцієнт теплопередачі > 2800 2365,76 ������, Вт/К Отримані результати свідчать, що перехід від традиційних до енергозберігаючих конструктивних рішень забезпечує істотне зниження тепловтрат будівлі та створює передумови для зменшення енергоспоживання на опалення. Разом з тим максимальний ефект досягається лише за умови урахування лінійних теплових містків, що обґрунтовує необхідність їх детального аналізу та конструктивної оптимізації. 4.2 Техніко-економічна оцінка застосованих конструктивних рішень Техніко-економічна оцінка енергозберігаючих конструктивних рішень виконується з метою кількісного визначення ефекту від зменшення тепловтрат будівлі порівняно з традиційним варіантом огороджувальних конструкцій. Оцінка 79 здійснюється шляхом порівняння сумарних коефіцієнтів теплопередачі, річних тепловтрат та умовної економії теплової енергії. 4.2.1 Вихідні дані для оцінки конструктивних рішень Розглянемо два варіанти вихідних даних для оцінки конструктивних рішень житлових будівель: – базовий (традиційний) – з мінімально допустимими теплотехнічними показниками (табл. 4.1); – покращений (енергозберігаючий) – відповідно до конструктивних рішень, прийнятих у розділі 3. З метою техніко-економічної оцінки ефективності прийнятих у роботі конструктивних рішень виконано порівняння енергозберігаючого варіанта огороджувальної оболонки з типовими для сучасної практики традиційними рішеннями, що відповідають мінімальним нормативним вимогам. Порівняльна характеристика основних огороджувальних конструкцій наведена в табл. 4.1. Таблиця 4.2 – Порівняння теплотехнічних та енергетичних показників будівлі для традиційних та енергозберігаючих конструктивних рішень Варіант Повний коефіцієнт Річне теплове Річна економія Зниження огороджувальної теплопередачі ������, споживання ��, теплової енергії Δ��, теплових оболонки Вт/К кВт·год/рік кВт·год/рік витрат, % Традиційні рішення 4059,8 736606 – – («було») Енергозберігаючі 2365,76 429243 307363 41,7 рішення («стало») Для традиційного варіанта («було») прийнято мінімальні значення теплоізоляції огороджувальних конструкцій та типові віконні блоки без спеціальної оптимізації вузлів примикання. На основі прийнятих коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних елементів і площ конструкцій, визначених у розділі 3, розраховано сумарний коефіцієнт теплопередачі без урахування теплових містків: ������,0 було = 3485,7 Вт/К. Оскільки у традиційних рішеннях теплові містки, як правило, не оптимізуються, 80 для характерних конструктивних вузлів прийнято підвищені значення лінійних коефіцієнтів теплопередачі. Сумарна лінійна складова тепловтрат становить: ������ було = 574,1 Вт/К. Повний коефіцієнт теплопередачі будівлі для традиційного варіанта визначається як: ������ було = ������,0 було + ������ було = 4059,8 Вт/К. Річне теплове споживання будівлі у традиційному варіанті визначено за аналогічною методикою, що застосовувалася у розділі 3, з урахуванням розрахункового температурного напору Δ�� = 42 К та тривалості опалювального періоду 4320 год: ��було ≈ 736606 кВт∙год/рік . Для енергозберігаючого варіанта («стало»), прийнятого у роботі (газобетон 250 мм + система ETICS 180 мм, теплий мансардний дах з утепленням 250 мм, утеплене перекриття над неопалюваним паркінгом та енергоефективні віконні блоки), повний коефіцієнт теплопередачі будівлі, визначений у розділі 3, становить: ������ стало = 2365,76 Вт/К, що відповідає річному тепловому споживанню: ��стало ≈ 429243 кВт∙год/рік. За результатами теплотехнічних розрахунків досліджувана житлова будівля у базовому варіанті відповідає класу енергоефективності D згідно з класифікацією ДБН В.2.6-31:2021 та методикою енергетичної сертифікації будівель. Після впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень (ETICS 180 мм, утеплення мансардного даху 250 мм, теплоізоляція перекриття над неопалюваними приміщеннями, енергоефективні вікна, зменшення теплових містків) розрахункові показники відповідають класу B (наближення до A). Отже, у роботі показано перехід будівлі з класу D до класу B (з потенціалом досягнення класу A при подальшій оптимізації інженерних систем). 81 4.2.2 Оцінка повного коефіцієнта теплопередачі ������ та річної економії теплової енергії ���� Повний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������ є інтегральним показником тепловтрат через огороджувальні конструкції з урахуванням теплових містків. Він характеризує сумарний тепловий потік, що проходить крізь оболонку будівлі при різниці температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям в 1 К, і визначається як сума добутків коефіцієнтів теплопередачі окремих елементів на їх площі з урахуванням лінійних та точкових теплових містків відповідно до вимог ДСТУ EN ISO 13789 та ДСТУ EN ISO 10211. Значення ������ відображає реальний рівень теплозахисту будівлі і є основою для визначення річних трансмісійних тепловтрат, теплового навантаження системи опалення та енергетичного класу будівлі. Зменшення цього показника свідчить про підвищення термічного опору огороджувальних конструкцій, зниження інтенсивності теплових потоків і, відповідно, скорочення потреби в тепловій енергії на опалення. Розрахуємо зменшення коефіцієнта теплопередачі (Δ��). Для цього обчислимо абсолютне зменшення коефіцієнта теплопередачі: Δ�� = ������ було − ������ стало = 4059,8 − 2365,76 = 1694,04 Вт/К. Тоді відносне зменшення коефіцієнта теплопередачі буде становити: Δ�� 1694,04 ⋅ 100% ≈ ⋅ 100% ≈ 41,7 %. ������ було 4059,8 Отже, за рахунок застосування енергозберігаючих конструктивних рішень повний коефіцієнт теплопередачі будівлі зменшується приблизно на 40 %. Річна економія теплової енергії внаслідок впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень становить: Δ�� = ��було − ��стало ≈ 307363 кВт∙год/рік, що також відповідає зниженню теплових витрат приблизно на 40 % порівняно з традиційними рішеннями. Річна економія теплової енергії Δ�� визначається як різниця між річними тепловитратами будівлі у базовому (традиційному) та проєктному 82 (енергоефективному) варіантах: Δ�� = ��було − ��стало ≈ 307363 кВт∙год/рік що також відповідає зниженню теплових витрат приблизно на 40 % порівняно з традиційними рішеннями. Показник Δ�� характеризує безпосередній енергетичний ефект від підвищення теплоізоляційних властивостей огороджувальних конструкцій, оптимізації вузлів примикання та зменшення впливу теплових містків. Оцінка ������ та Δ�� у сукупності дозволяє кількісно обґрунтувати ефективність прийнятих проєктних рішень, визначити рівень скорочення тепловтрат, оцінити економію паливно-енергетичних ресурсів і створює основу для подальшого аналізу екологічного ефекту, зокрема зменшення викидів діоксиду вуглецю впродовж експлуатаційного періоду будівлі. Результати оцінки повного коефіцієнта теплопередачі ������ та річної економії теплової енергії Δ�� візуалізовані у вигляді діаграми на рисунку 4.1. Рисунок 4.1 – Порівняльна комбінована діаграма повного коефіцієнта теплопередачі ������ та річної економії теплової енергії Δ�� 83 Діаграма наочно ілюструє вплив упровадження енергоефективних конструктивних рішень на теплотехнічні показники житлової будівлі. Зменшення повного коефіцієнта теплопередачі з ������,0 = 4059,8 Вт/К (традиційні рішення) до ������,1 = 2365,76 Вт/К (енергозберігаючі рішення) призводить до скорочення річного теплового споживання з ��було ≈ 736606 кВт∙год/рік до ��стало ≈ 429243 кВт∙год/рік. Відповідна річна економія теплової енергії становить Δ�� = 307 363 кВт∙год/рік, що еквівалентно приблизно 41,7 % від базового варіанту. Отримані результати підтверджують високу ефективність прийнятих енергозберігаючих рішень та їх доцільність з позицій зниження енергоспоживання і подальшого скорочення викидів CO₂. Розглянемо економічну оцінку CapEx (додаткових інвестицій) на матеріали/роботи при переході будівлі з класу D до класу B (табл. 4.3). Для цього обчислимо додаткові витрати по ключових заходах. 1) Вікна – підвищення класу склопакета, warm edge, кращий монтаж. Змінюємо умовно з ���� ≈ 0,90 до ���� ≈ 0,75 … 0,80 + теплий дистанційний контур (warm edge) + якісний монтаж у шарі утеплення. Орієнтовна доплата – 1500…2500 грн/м² для світлопрозорих поверхонь. Сума інвестицій: 1134 ∙ (1500 … 2500) ≈ ��, ���� … ��, ���� млн грн. 2) Теплові містки лоджій – терморозриви. Це визначальний фактор, який вимагає інвестицій при переході будівлі від D до B через значну кількість лоджій. Змінюємо вузол плити лоджії, облаштовуємо термовставки. Орієнтовна доплата – 6000…12000 грн/пог.м лінії примикання (дуже залежить від системи та арматурного рішення). Сума доплати: 324 ∙ (6000 … 12000) ≈ ��, ���� … ��, ���� млн грн. 3) Герметичність (аеропроникність) – мембрани, стрічки, примикання, контроль якості. 84 Забезпечуємо системне виконання шару герметизації та виконуємо заходи контролю інфільтрації (проєктні вузли + матеріали + додаткові роботи/контроль). Орієнтовна доплата: 250…600 тис. грн 4) Підвищення енергоефективності непрозорих конструкцій. Модернізація перекриття над паркінгом. Збільшуємо товщину плити XPS з 120 мм до 160 мм, тоді ціна м² плити збільшиться на 242 грн. Сума інвестицій: 1200 ∙ 242 ≈ ��, ���� млн грн (без урахування робіт/кріплення). Облаштування даху – збільшення товщини шару утеплювача з 250 мм до 300 мм з мінвати орієнтовно коштуватиме 200…350 грн/м². Сума доплати: 1440 ∙ (200 … 350) ≈ ��, ���� … ��, ���� млн грн. Додаткове утеплення фасаду ETICS з 180 мм до 220 мм. Орієнтовна доплата: 150…300 грн/м². Загальна сума інвестиції: 2646 ∙ (150 … 300) ≈ ��, ���� … ��, ���� млн грн. Підсумкова оцінка додаткових інвестицій (при переході будівлі з класу D до класу B) складає: – вікна: 1,70–2,84 млн грн; – лоджії/терморозрив: 1,94–3,89 млн грн; – герметичність: 0,25–0,60 млн грн; – додаткове утеплення даху/перекриття/фасаду: 0,98–2,08 млн грн. Разом додаткова інвестиція складає приблизно 4,9…9,51 млн грн. У перерахунку на опалювану площу (�� 2 ���� = 10800 м ): ≈ 450…870 грн/м². 4.2.3 Умовна економія енергії в перерахунку на одиницю площі Для орієнтовної оцінки ефективності енергозберігаючих рішень визначимо умовну економію теплової енергії, віднесену до опалюваної площі будівлі: ������ ≈ 10800 м2. 85 86 Традиційний варіант: 429 243 ��0 = ≈ 39,7 2 кВт∙год/(м ⋅ рік). 10 800 Енергозберігаючий варіант 121 860 ��1 = ≈ 11,3 2 кВт∙год/(м ⋅ рік). 10 800 Абсолютна економія теплової енергії: Δ�� = ��0 − ��1 = 39,7 − 11,3 = 28,4 2 кВт∙год/(м ⋅ рік) Відносна економія, % ��0 − ��1 28,4 �� = ⋅ 100% = ⋅ 100 % ≈ 71,5 % ��0 39,7 Отримане значення відображає умовний річний енергетичний ефект, досягнутий лише за рахунок підвищення теплозахисних властивостей огороджувальної оболонки та оптимізації конструктивних вузлів. Результати розрахунку візуалізовані на рисунку 4.2. Рисунок 4.2 – Умовна річна економія теплової енергії в перерахунку на 1 м² опалювальної площі З наведених даних видно, що впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень дозволяє знизити питомі річні теплові витрати будівлі з 39,7 кВт·год/(м²·рік) 87 для традиційного варіанта до 11,3 кВт·год/(м²·рік). Таким чином, умовна економія теплової енергії становить близько 71–72 % у перерахунку на одиницю опалювальної площі, що підтверджує високу ефективність прийнятих рішень та їх доцільність з енергетичної й економічної точок зору. Отримані результати свідчать, що: – зменшення коефіцієнта теплопередачі будівлі безпосередньо призводить до скорочення тепловтрат протягом опалювального періоду; – зниження ������ (на 40 %) забезпечує помітну річну економію теплової енергії; – у будівлях з монолітним залізобетонним каркасом значний резерв підвищення енергоефективності пов’язаний саме з мінімізацією лінійних теплових містків, що підтверджується результатами розділу 3. Таким чином, застосування енергозберігаючих конструктивних рішень дозволяє досягти істотного зниження тепловтрат будівлі та забезпечує умовну річну економію теплової енергії на рівні десятків МВт·год. Отримані результати підтверджують технічну доцільність впровадження таких рішень та створюють підґрунтя для формування практичних рекомендацій щодо їх застосування, наведених у підрозділі 4.3. 4.3 Рекомендації щодо впровадження енергозберігаючих конструкцій у будівельну практику На основі результатів теплотехнічного аналізу та техніко-економічної оцінки, виконаних у розділах 3 та 4, сформульовано практичні рекомендації щодо впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень у сучасних житлових будівлях, зокрема будівлях з монолітним залізобетонним каркасом. 4.3.1 Забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру Однією з ключових умов досягнення високої енергоефективності є формування суцільного теплоізоляційного контуру огороджувальної оболонки будівлі [29]. При застосуванні фасадних систем типу ETICS особливу увагу слід приділяти: 88 – перекриттю теплоізоляцією торців плит перекриттів; – теплоізоляції зон примикання колон та ригелів до зовнішніх стін; – виключенню локальних розривів утеплювача у місцях інженерних вводів. Забезпечення безперервності теплоізоляційного шару дозволяє зменшити значення лінійних коефіцієнтів теплопередачі �� та, відповідно, скоротити лінійну складову тепловтрат ������. Ефективність забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру продемонстрована на рисунку 4.3. Рисунок 4.3 – Діаграма ефективності забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру Діаграма показує, що у традиційному варіанті («було») внесок теплових містків у загальні тепловтрати є дуже значним: додаткова складова Δ��м = ������ − ������,0 становить ≈1650 Вт/К, тобто близько 40,7 % від повного коефіцієнта теплопередачі ������. Це означає, що навіть за наявності утеплення значна частина тепла втрачається через конструктивні розриви/небезперервність теплоізоляції (зони плит перекриття, примикання, вузли). Після реалізації енергозберігаючих рішень («стало») та детального опрацювання вузлів (узгодження контуру утеплення, зменшення лінійних містків) додаткова складова від містків зменшується до ≈398 Вт/К, а її частка – до ≈16,8 %. Таким чином, вплив теплових містків скорочено приблизно на 75,9 % (за Δ��м), що підтверджує 89 високу ефективність забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру як одного з ключових чинників зниження тепловтрат будівлі. Δ�� У перерахунку на річний показник (оціночно, пропорційно частці м) це ������ відповідає суттєвому зменшенню «мостикової» складової тепловитрат – тобто найбільший ефект досягається не лише збільшенням товщини утеплювача, а саме усуненням розривів і локальних зон теплопровідності у конструктивних вузлах. 4.3.2 Оптимізація вузлів лоджій і балконів Результати розрахунків показали, що вузли плит лоджій формують одну з найбільших часток лінійних теплових містків. У зв’язку з цим доцільно рекомендувати: – застосування терморозривів у вузлах примикання плит лоджій до перекриттів; – конструктивне відокремлення лоджій від основного опалюваного контуру; – використання додаткових теплоізоляційних вставок у зоні примикання плит. Зазначені заходи дозволяють істотно знизити лінійні тепловтрати без погіршення архітектурних та функціональних характеристик будівлі. Ефективність оптимізації вузлів лоджії ілюстрована на рисунку 4.4. Рисунок 4.4 – Діаграма ефективності оптимізації вузлів лоджії 90 Оптимізація вузлів лоджій шляхом влаштування терморозриву в зоні примикання залізобетонної плити перекриття дозволяє зменшити лінійний коефіцієнт тепло- передачі з �� = 0,80 Вт/(м·К) до �� = 0,15 Вт/(м·К). Для сумарної довжини лоджій 324 м це забезпечує зниження повного коефіцієнта теплопередачі на ���� = 210 Вт/К, що відповідає скороченню річних тепловтрат приблизно на 22 МВт·год/рік. Отриманий ефект підтверджує високу енергоефективність конструктивних рішень з терморозривом у вузлах лоджій та балконів і їх суттєвий внесок у зменшення теплових містків та загального енергоспоживання будівлі. 4.3.3 Раціональне проєктування світлопрозорих конструкцій Світлопрозорі огороджувальні конструкції залишаються одним із найбільш енерговитратних елементів оболонки будівлі. З метою зменшення тепловтрат рекомендується: – застосування віконних блоків з коефіцієнтом теплопередачі не вище �� 2 �� ≤ 1,0 Вт/(м ⋅ К); – монтаж вікон у площині теплоізоляційного шару фасаду; – виконання монтажних швів із використанням багатошарової системи герметизації. Такі рішення дозволяють зменшити як площинні тепловтрати через засклення, так і лінійні теплові містки у вузлах «вікно-стіна». Ефект від раціонального проєктування світлопрозорих конструкцій проілюстрований на рисунку 4.5. Раціональне проєктування світлопрозорих конструкцій шляхом заміни стандартних віконних блоків з коефіцієнтом теплопередачі ���� ≈ 1,5 Вт/(м²·К) на енергоефективні з ���� = 0,9 Вт/(м²·К) при загальній площі засклення 1134 м² забезпечує зниження повного коефіцієнта теплопередачі на Δ�� = 680 Вт/К та скорочення річних тепловтрат приблизно на Δ�� ≈ 71 МВт·год/рік, що підтверджує високу ефективність оптимізації віконних конструкцій у загальному енергетичному балансі будівлі. 91 Рисунок 4.5 – Діаграма ефективності раціонального проєктування світлопрозорих конструкцій 4.3.4 Підвищення енергоефективності покриття та перекриттів Для покриттів та перекриттів над неопалюваними приміщеннями доцільно передбачати: – достатню товщину теплоізоляції, що перевищує мінімальні нормативні вимоги; – розміщення теплоізоляції зі сторони холодного середовища у перекриттях над паркінгами; – конструктивні рішення, що мінімізують теплові містки у вузлах примикання до фасадів. Застосування теплого мансардного даху з підвищеною товщиною утеплення, як показано у роботі, забезпечує суттєве зниження площинних тепловтрат. Річна економія теплової енергії від підвищення теплоізоляції покриття та перекриттів будівлі приведена на діаграмі рисунку 4.6. З рисунка видно, що найбільший внесок у зменшення тепловтрат забезпечує утеплення перекриття над неопалюваними приміщеннями (паркінгом) завдяки значній площі (������ = 1200 м2) та суттєвому зниженню коефіцієнта теплопередачі. Утеплення мансардного покриття площею ���������� = 1440 м2 також дає значний ефект. Сумарна річна економія теплової енергії за рахунок оптимізації цих конструкцій 92 становить близько 48,7 МВт·год/рік, що підтверджує доцільність прийнятих енергозберігаючих рішень у покритті та перекриттях Рисунок 4.6 – Діаграма річної економії теплової енергії від підвищення теплоізоляції покриття та перекриттів будівлі 4.3.5 Комплексний підхід до енергоефективного проєктування Отримані результати підтверджують, що максимальний ефект від впровадження енергозберігаючих конструкцій досягається лише за умови комплексного підходу, який поєднує: – ефективні теплоізоляційні матеріали; – оптимізовані конструктивні вузли; – коректне виконання монтажних робіт; – урахування теплових містків на етапі проєктування. Такий підхід дозволяє не лише зменшити тепловтрати будівлі, але й забезпечити стабільні експлуатаційні показники протягом усього життєвого циклу будівлі. Ефективність комплексного підходу до енергоефективного проєктування демонструється на рисунках 4.7 та 4.8. 93 Рисунок 4.7 – Структура економії ΔQ (внесок груп рішень) Рисунок 4.8 – Узагальнення комплексного підходу Комплексний підхід (підвищення теплозахисту стін, покриття й перекриттів, раціональне проєктування світлопрозорих конструкцій та зменшення впливу теплових містків) забезпечує системне зниження ������, що прямо зменшує річну потребу в тепловій енергії. Для прийнятого об’єкта перехід від «традиційних» до «енергозберігаючих» рішень зменшує ��річн орієнтовно з 429 тис. кВт·год/рік до 250 тис. кВт·год/рік, тобто дає Δ�� ≈ 179 тис. кВт·год/рік (≈42%), що підтверджує ефективність саме комплексу заходів, а не одного окремого рішення. 94 Реалізація наведених рекомендацій у практиці проєктування та будівництва багатоповерхових житлових будівель з монолітним залізобетонним каркасом дозволяє суттєво підвищити рівень їх енергоефективності, зменшити експлуатаційні витрати на опалення та забезпечити відповідність сучасним вимогам сталого будівництва. Річна економія коштів при переході від класу енергоефективності D до класу B для різних варіантів теплозабезпечення показана на рисунку 4.9. Рисунок 4.9 – Економія коштів при переході будівлі від класу енергоефективності D до B Діаграма відображає порівняння річної економії експлуатаційних витрат на опалення будівлі при зменшенні річного споживання теплової енергії на ���� = 128773 кВт·год унаслідок підвищення енергоефективності з класу D до класу B. Найбільший економічний ефект отримано для електричного опалення (близько 556 тис. грн/рік), що пояснюється найвищою вартістю одиниці енергії. Для централізованого теплопостачання річна економія становить приблизно 161 тис. грн, а для індивідуального газового опалення – близько 114 тис. грн. Порівняння термінів окупності заходів з підвищення енергоефективності для різних варіантів теплозабезпечення (перехід від класу D до класу B) проілюстровано на рисунку 4.10. 95 Рисунок 4.10 – Терміни окупності заходів з підвищення енергоефективності для різних варіантів теплозабезпечення Діаграма ілюструє залежність строку окупності інвестицій у підвищення енергоефективності будівлі (CapEx = 8 млн грн) від вартості теплової енергії для різних систем теплозабезпечення. За прийнятих тарифів найменший строк окупності (близько 6 років) отримано для електроопалення, що зумовлено найвищою ціною енергії та, відповідно, найбільшим річним економічним ефектом від зменшення тепловтрат. Для централізованого теплопостачання термін окупності становить орієнтовно 11 років, а для індивідуального газового опалення – близько 20 років. Отримані результати підтверджують, що зі зростанням вартості енергоносія економічна доцільність інвестицій у підвищення енергоефективності будівлі істотно зростає. 4.4 Екологічна оцінка енергоефективної будівлі в контексті декарбонізації У сучасних умовах підвищення енергоефективності будівель розглядається не лише як інженерне або економічне завдання, а й як важливий інструмент зменшення антропогенного впливу на довкілля. Зниження енергоспоживання будівель безпосередньо пов’язане зі скороченням викидів парникових газів, зокрема діоксиду вуглецю (CO₂), що відповідає глобальним і національним стратегіям декарбонізації будівельного сектору. 96 На рисунку 4.11 схематично відображено життєвий цикл житлової будівлі з позицій екологічної оцінки та скорочення викидів CO₂: від видобутку сировини і виробництва будівельних матеріалів до етапів будівництва, експлуатації, ремонту та демонтажу. Особливу увагу приділено фазі експлуатації, яка є найбільш енергоємною і визначає сумарні викиди парникових газів. Застосування енергоефективних огороджувальних конструкцій, відновлюваних джерел енергії та раціональних конструктивних рішень сприяє зменшенню вуглецевого сліду будівлі протягом усього життєвого циклу, що відповідає сучасним підходам декарбонізації будівельного сектору. Рисунок 4.11 – Екологічна оцінка енергоефективної будівлі в контексті декарбонізації протягом життєвого циклу 4.4.1 Зв’язок енергоефективності та викидів CO₂ Основна частка викидів CO₂, пов’язаних з експлуатацією житлових будівель, припадає на споживання теплової енергії для опалення. Отже, зменшення тепловтрат через огороджувальні конструкції призводить до пропорційного скорочення споживання первинної енергії та відповідних викидів. Згідно з результатами техніко-економічної оцінки (підрозділ 4.2), впровадження 97 енергозберігаючих конструктивних рішень забезпечує умовну річну економію теплової енергії на рівні: Δ�� ≈ 179 МВт∙год/рік. Для орієнтовної екологічної оцінки можна використати усереднений питомий показник викидів CO₂ для виробництва теплової енергії (централізоване теплопостачання або газові котельні), який становить приблизно 0,20 – 0,23 т СО2 на 1 МВт·год (рисунок 4.12). Рисунок 4.12 – Діаграми орієнтовних річних викидів CO₂ житлової будівлі залежно від класу енергоефективності Побудована діаграма наочно демонструє суттєве зниження річних викидів CO₂ зі зростанням класу енергоефективності будівлі. Перехід від класу G до A++ забезпечує скорочення викидів більш ніж у 4,5 рази, що підтверджує вирішальну роль енергоефективних конструктивних рішень у досягненні цілей декарбонізації будівельного сектору. 4.4.2 Орієнтовна оцінка скорочення викидів CO₂ Оцінку екологічного ефекту від впровадження енергозберігаючих конструк- тивних рішень виконано на основі зменшення річних теплових витрат будівлі, отриманих у розділах 3 та 4. Зниження сумарного коефіцієнта теплопередачі огород- 98 жувальної оболонки з ������,0 ≈ 4050 Вт/К (традиційні рішення) до ������,1 = 2365,76 Вт/К (енергозберігаючі рішення) призвело до відповідного зменшення річної потреби в тепловій енергії з ��0 = 429 243 кВт·год/рік до ��1 ≈ 250 600 кВт·год/рік. Річна економія теплової енергії становить Δ�� ≈ 178 600 кВт·год/рік, що відповідає зниженню теплового навантаження приблизно на 42 %. Для орієнтовної оцінки викидів діоксиду вуглецю прийнято питомий коефіцієнт викидів для теплової енергії, виробленої з природного газу, ���� = 0,202 кг CO₂/кВт·год. Тоді річні викиди CO₂ становлять: – до впровадження енергоефективних рішень: ����2,0 = ��0 ⋅ ���� ≈ 86,7 т/рік, – після впровадження: ����2,1 = ��1 ⋅ ���� ≈ 50,6 т/рік. Орієнтовне скорочення викидів діоксиду вуглецю дорівнює Δ����2 ≈ 36 т/рік. Результати розрахунку скорочення викидів CO₂ приведені на рисунку 4.13. Рисунок 4.13 – Діаграма скорочення викидів CO₂ на основі зменшення річного споживання теплової енергії �� 99 З діаграми видно, що застосування комплексу енергозберігаючих конструктивних рішень (ефективні зовнішні стіни з системою ETICS, теплий мансардний дах, утеплення перекриттів, енергоефективні вікна та усунення теплових містків) забезпечує не лише істотне зниження річного енергоспоживання, але й помітний екологічний ефект, що проявляється у скороченні викидів CO₂ приблизно на 35–40 т щороку. На рисунку 4.14 порівнюється скорочення викидів CO₂ для трьох варіантів теплозабезпечення – природний газ, централізоване теплопостачання та електроопа- лення. Найбільш ефективним є опалення природним газом. Рисунок 4. 14 – Діаграма скорочення викидів CO₂ для трьох варіантів теплозабезпечення Отримані результати підтверджують відповідність проєктних рішень сучасним вимогам декарбонізації будівельного сектору та підвищення його кліматичної нейтральності. Саме конструктивні рішення огороджувальних конструкцій відіграють ключову роль у зниженні експлуатаційних викидів будівлі. До найбільш ефективних з точки зору декарбонізації належать: – зменшення коефіцієнтів теплопередачі огороджувальних конструкцій; – мінімізація лінійних теплових містків у вузлах примикання; – забезпечення довговічності теплоізоляційного шару, що знижує потребу в реконструкції та повторному використанні матеріалів. 100 Крім того, зменшення тепловтрат будівлі створює передумови для ефективнішого використання відновлюваних джерел енергії та низьковуглецевих систем теплопостачання, що є важливим етапом переходу до кліматично нейтральної забудови. 4.4.3 Екологічний ефект упродовж життєвого циклу будівлі Отримані результати розрахунків свідчать, що впровадження комплексу енергоефективних заходів (підвищення теплозахисту огороджувальних конструкцій, забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру, оптимізація вузлів лоджій і балконів, застосування енергоефективних світлопрозорих конструкцій, модернізація покриття та перекриттів) забезпечує істотне зниження річної потреби будівлі в тепловій енергії та, відповідно, скорочення викидів діоксиду вуглецю. Згідно з виконаними оцінками, перехід від базового («традиційного») варіанту до енергозберігаючого дозволяє зменшити повний коефіцієнт теплопередачі будівлі ������, що приводить до зниження річного теплового навантаження ��та річних викидів CO₂ на десятки відсотків. Для умов м. Черкаси з урахуванням реального джерела теплопостачання (КПТМ «Черкаситеплокомуненерго») встановлено, що річне скорочення викидів становить десятки тонн CO₂, залежно від прийнятого варіанта теплозабезпечення (природний газ, централізоване теплопостачання, електроопалення) (рис. 4.15). Рисунок – 4.15 Діаграма скоочення викидів CO₂ при спорудженні будинку у м. Черкаси 101 У масштабі життєвого циклу будівлі (прийнятого 50 років) накопичений екологічний ефект є особливо значним. Сумарне скорочення викидів CO₂ за весь період експлуатації може сягати кількох тисяч тонн, що еквівалентно зменшенню спалювання сотень тисяч кубічних метрів природного газу або відповідних обсягів викопного палива в системах централізованого теплопостачання (таблиця 4.4). Таблиця 4.4 – Орієнтовне скорочення викидів CO₂ за життєвий цикл 50 років(м. Черкаси) залежно від варіанта теплозабезпечення Скорочення, Скорочення за 50 років, Варіант теплозабезпечення т CO₂e/рік т CO₂e Природний газ (індивідуальне опалення) 40,9 2045 Централізоване теплопостачання 46,4 2320 (КПТМ «Черкаситеплокомуненерго») Електроопалення (мережа) 70,0 3500 Примітка: для централізованого теплопостачання ураховано орієнтовні мережеві втрати 12%; для газового варіанта – сезонний ККД котла �� ≈ 0,90. Крім прямого скорочення парникових викидів, комплексне енергоефективне проєктування забезпечує: – зменшення споживання первинної енергії; – зниження вуглецевого сліду експлуатаційної стадії життєвого циклу будівлі; – підвищення частки використання відновлюваних джерел енергії; – покращення мікроклімату приміщень без збільшення енергетичних витрат. Таким чином, реалізація запропонованих проєктних рішень відповідає принципам декарбонізації будівельного сектору та концепції сталого розвитку, забезпечуючи суттєвий екологічний ефект не лише в річному балансі, а й у довгостроковій перспективі протягом усього життєвого циклу житлової будівлі. Енергозберігаючі конструктивні рішення, обґрунтовані у даній роботі, забезпечують не лише зниження енергоспоживання та експлуатаційних витрат, а й формують відчутний екологічний ефект у контексті декарбонізації будівельного сектору. Це підтверджує доцільність їх широкого впровадження як складової стратегії сталого розвитку та кліматичної нейтральності сучасної житлової забудови. 102 Висновки до розділу 4 У розділі 4 виконано комплексну оцінку ефективності прийнятих енергозберігаючих конструктивних рішень та визначено їхній вплив на енергетичні, економічні й екологічні показники будівлі. На основі порівняльного аналізу традиційних і сучасних енергоефективних рішень (п. 4.1) встановлено, що застосування огороджувальних конструкцій з підвищеним теплозахистом, суцільного теплоізоляційного контуру, енергоефек- тивних віконних блоків та оптимізованих конструктивних вузлів дозволяє істотно знизити коефіцієнти теплопередачі основних елементів будівлі та перейти до вищого класу енергоефективності. У п. 4.2 на підставі результатів теплотехнічних розрахунків доведено, що зменшення повного коефіцієнта теплопередачі будівлі ������ приводить до суттєвого скорочення річних тепловтрат і досягнення відчутної економії теплової енергії Δ��. Кількісно підтверджено, що значну частку економії забезпечує не лише підвищення опору теплопередачі огороджень, а й зменшення впливу лінійних теплових містків за рахунок раціонального проєктування вузлів. У п. 4.3 сформульовано практичні рекомендації щодо впровадження енергозберігаючих конструктивних рішень у проєктуванні житлових будівель, зокрема: – забезпечення безперервності теплоізоляційного контуру; – мінімізація лінійних теплових містків у вузлах перекриттів, лоджій, балконів і віконних примикань; – обґрунтований вибір товщини та типу теплоізоляційних матеріалів; – урахування повітропроникності та герметичності огороджувальних конструкцій. У п. 4.4 показано, що зниження річного енергоспоживання будівлі безпосередньо пов’язане зі скороченням викидів CO₂ та має істотний екологічний ефект у контексті декарбонізації. Оцінка для різних варіантів теплопостачання засвідчила, що підвищення енергоефективності будівлі забезпечує зменшення вуглецевого сліду як 103 у короткостроковій, так і в довгостроковій перспективі протягом життєвого циклу об’єкта. Таким чином, результати розділу 4 підтверджують, що комплексний підхід до проєктування огороджувальних конструкцій і вузлів дозволяє досягти одночасно енергетичної, економічної та екологічної ефективності будівлі, а запропоновані рекомендації можуть бути використані в практиці проєктування та реконструкції житлових будівель в Україні. 104 ВИСНОВКИ 1. Оцінка сучасного стану проблеми У сучасних умовах в Україні будівельний сектор залишається одним з найбільш енергоємних, при цьому значна частка тепловтрат припадає на огороджувальні конструкції та, особливо, на лінійні теплові містки у вузлах примикання перекриттів, колон, балконів, лоджій та світлопрозорих елементів. Аналіз нормативної бази (ДБН В.2.6-31, ДСТУ EN ISO 10211) та практики проєктування показує, що без детального урахування просторових теплових потоків неможливо забезпечити досягнення високих класів енергоефективності та реальне зниження експлуатаційних витрат і викидів CO₂. 2. Кількісні результати теплотехнічного аналізу Для досліджуваної житлової багатоповерхової будівлі з монолітним залізобетонним каркасом і фасадною системою ETICS отримано такі інтегральні показники: – площинний коефіцієнт теплопередачі огороджень ������,0 = 1968 Вт/К; – сумарний внесок лінійних теплових містків ������ = 397,76 Вт/К; – повний коефіцієнт тепловтрат будівлі ������ = 2365,76 Вт/К; – частка теплових містків у загальних тепловтратах становить близько 20 %, що підтверджує їх істотний вплив на енергобаланс будівлі; – за рахунок застосування енергозберігаючих конструктивних рішень отримано річну економію теплової енергії Δ�� (кВт·год/рік), що відповідає зменшенню викидів Δ����2 (т/рік) залежно від джерела теплопостачання. 3. Наукове значення роботи Наукова новизна полягає у комплексному поєднанні нормативного теплотехнічного розрахунку огороджувальних конструкцій з двовимірним аналізом теплових містків за ДСТУ EN ISO 10211 та кількісною оцінкою їх внеску у повний коефіцієнт тепловтрат ������. Отримано уточнені значення лінійних коефіцієнтів ψ для характерних вузлів каркасної будівлі з системою ETICS, що дозволяє обґрунтовано оцінювати вплив конструктивних рішень на клас енергоефективності. 105 4. Практичне значення Результати роботи можуть бути використані при проєктуванні житлових будівель з монолітним залізобетонним каркасом для: – вибору раціональної товщини та схеми теплоізоляції; – конструктивного опрацювання вузлів перекриттів, лоджій, балконів і віконних примикань; – попередньої оцінки річних тепловтрат, енергоспоживання та викидів CO₂ на стадії ескізного проєктування. 5. Рекомендації для проєктування Для зменшення повних тепловтрат будівель і досягнення високих класів енергоефективності доцільно: – забезпечувати безперервність теплоізоляційного контуру по всьому периметру огороджень; – застосовувати конструктивні рішення з мінімальними значеннями �� у вузлах торців плит, колон, лоджій і вікон; – виконувати обов’язковий розрахунок теплових містків за ДСТУ EN ISO 10211; – враховувати екологічний ефект у вигляді скорочення викидів CO₂ протягом життєвого циклу будівлі. Такий підхід дозволяє перейти від формального виконання нормативів до реального енергозбереження та декарбонізації будівельного фонду. Отримані наукові та практичні результати мають значення для подальшого розвитку методів енергоефективного проєктування та можуть бути використані в навчальному процесі, проєктній практиці й наукових дослідженнях у галузі сталого будівництва. 106 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ Нормативно-правова база 1. Закони України та державні програми 1. Конституція України. – К.: Юридична література, 1996. – 50 с. 2. Закон України «Про енергетичну ефективність будівель» від 22.06.2017 № 2118- VIII. 3. Закон України «Про енергозбереження» від 01.07.1994 № 74/94-ВР. 4. Закон України «Про архітектурну діяльність» від 20.05.1999 № 687-XIV. 5. Енергетична стратегія України на період до 2050 року. – К.: КМУ, 2023. 2. Державні будівельні норми та національні стандарти 6. ДБН В.2.6-31:2021. Теплова ізоляція та енергоефективність будівель. – К.: Мінрегіон України, 2021. 7. ДБН В.2.2-15:2019. Житлові будинки. Основні положення. – К.: Мінрегіон України, 2019. 8. ДБН В.2.5-67:2013. Опалення, вентиляція та кондиціонування. 9. ДСТУ Б В.2.6-189:2013. Методи визначення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій. 10. ДСТУ-Н Б В.2.6-190:2013. Настанова з проєктування теплової ізоляції будівель. 3. Європейські та міжнародні стандарти 11. ДСТУ EN ISO 6946:2017. Будівельні елементи та конструкції. Термічний опір і коефіцієнт теплопередачі. 12. ДСТУ EN ISO 10211:2017. Теплові мости в будівельних конструкціях. Детальні розрахунки. 13. ДСТУ EN ISO 13789:2017. Теплотехнічні характеристики будівель. 14. EN ISO 13790:2008. Energy performance of buildings. 15. Directive 2010/31/EU on the Energy Performance of Buildings (EPBD). 16. Directive 2012/27/EU on Energy Efficiency. 17. Regulation (EU) No 305/2011 (Construction Products Regulation). 107 Література 1. Україномовні джерела 18. Фаренюк Г. Г. Основи забезпечення енергоефективності будівель. – К.: ДП НДІБК, 2016. – 220 с. 19. Сергієнко В. П. Теплотехніка будівель. – К.: Вища школа, 2010. – 320 с. 20. Жуковський С. С., Кондратюк В. І. Енергоефективні будівлі та споруди. – Львів: НУ «Львівська політехніка», 2015. – 284 с. 21. Дьомін М. М. Архітектурна теплофізика. – К.: КНУБА, 2014. – 412 с. 22. Бабак В. П., Приходько В. П. Фізика будівельних конструкцій. – К.: НАУ, 2012. – 356 с. 23. Горбатюк С. М. Теплові мости в огороджувальних конструкціях будівель. – К.: Будівельник, 2018. – 198 с. 24. Черниш О. М. Проєктування енергоефективних огороджувальних конструкцій. – Одеса: ОДАБА, 2020. – 210 с. 25. Фаренюк Г. Г., Сергієнко В. П. Енергетична сертифікація будівель. – К.: Мінрегіон, 2019. – 144 с. 2. Англомовні наукові джерела 26. Hens H. Building Physics – Heat, Air and Moisture. – Berlin: Ernst & Sohn, 2012. 27. Feist W. Passive House Design Principles. – Darmstadt: Passive House Institute, 2015. 28. Ojanen T. et al. Thermal Bridges in Buildings. – Energy and Buildings, 2018. 29. Cabeza L. F. et al. Life Cycle Assessment of Building Materials. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014. 30. IPCC. Climate Change 2021: Mitigation of Climate Change. – Cambridge University Press, 2021.