Система «активного» энергосбережения с рекуперацией тепла для энергоэффективных зданий. I часть

После принятия в конце 2009 года Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» [1] и в России активизировалось проектирование и строительство энергоэффективных зданий. Практически во всех регионах страны или уже построены, или планируются к возведению так называемые «пилотные» проекты таких зданий [2, 3]. Появились также и «пассивные», и «активные» дома. Как правило, на сегодняшний день все эти сооружения ограничены 2-мя – 4-мя этажами. Следует признать, что при проектировании большинства уже возведенных в нашей стране «энергоэффективных зданий» использовались только некоторые из общепринятых в Европе и США мер по снижению энергетических затрат на эксплуатацию зданий. В основном, в России применяется следующий «набор» - повышенная теплоизоляция ограждающих конструкций, современные светопрозрачные конструкции, системы регулирования отопления. В этой связи называть такие здания «энергоэффективными» в полной мере все-таки нельзя. Хотя этот опыт, без сомнения, необычайно полезен для России, удельные энергетические затраты которой на эксплуатацию подавляющего большинства существующих и проектируемых зданий массовой застройки значительно выше, чем в европейских странах [4].

«Пассивные» здания появились в Европе в начале 90-х годов прошлого века и, благодаря необычайно успешной и активной работе проф. Вольфганга Файста, его коллег и созданного ими в г. Дармштадт (Германия) Института Пассивного Дома (PassivHaus Institut, ИПД), достаточно быстро стали одним из доминирующих направлений в европейском энергосберегающем домостроении. К настоящему моменту построены сотни отдельных зданий и даже поселков, состоящих из таких сооружений, разработаны как основы их проектирования, требования к конструкциям и инженерному оборудованию [5], так и методы оценки [6]. Уже созданы и специальные стандарты для отдельных элементов и конструкций «пассивных» домов.

В соответствии с рекомендациями немецких специалистов [5] «пассивный» дом должен отвечать нескольким основным требованиям:

• минимальные теплопотери из здания;  
• оптимизация теплопоступлений при использовании возобновляемых источников энергии (солнечной энергии, энергии ветра, низкопотенциального тепла грунта, биоэнергии и др.) как в летний, так и в зимний периоды года;  
• улучшение теплоизоляции стандартных строительных элементов (кровля, стены, полы и пр.);  
• исключение по возможности тепловых мостиков в конструкциях за счет качественного выполнения работ и применения новых технологий;  
• максимально возможная герметизация оболочки здания;  
• применение энергосберегающих окон для пассивных зданий;  
• обеспечение оптимальной вентиляции помещений, в том числе и с использованием высокоэффективной рекуперации тепла из удаляемого вентиляционными системами воздуха.  

Для «пассивных» зданий в Европе принято [5, 6], что удельный расход тепловой энергии на отопление пассивного дома не должен превышать 15 кВт ч/ м2/ год, а общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление, горячая вода, электроэнергия) не должно превышать 120 кВт ч/ м2/ год. Для аналогичных строений в климатических условиях России (г. Москва) по оценкам ряда отечественных специалистов [7] удельный расход тепловой энергии на отопление будет составлять 31 кВт ч/ м2/ год.  

Обычно для ограждающих конструкций пассивного здания немецкие специалисты рекомендуют следующие показатели:

• коэффициент теплопередачи стен Uстены = 0.15 Вт/ м2•°C (приведенное сопротивление теплопередаче R = 6.67 м2•°C /Вт);  
• коэффициент теплопередачи окон Uокна = 0.9 Вт/ м2•°C (приведенное сопротивление теплопередаче R = 1.11 м2•°C/Вт).  

Однако наиболее эффективными для «пассивных» домов считаются стены и окна с приведенным сопротивлением теплопередаче R = 10.0 м2•°C /Вт и R = 1.42 м2•°C/Вт соответственно. Строительство зданий с ограждающими конструкциями, отвечающими подобным необычайно высоким требованиям, становится во многих случаях экономически нецелесообразным. Это особенно показательно для многоэтажных зданий – установка теплоизоляции для стен толщиной около 400 мм и сложна, и дорога.  

Известно [8], что в России около половины всей вырабатываемой энергии тратится на эксплуатацию зданий. Именно поэтому снижение теплопотерь необычайно актуально в отечественном строительстве.

Одной из основных характеристик энергетической эффективности зданий принято считать удельный расход энергии на отопление и вентиляцию квадратного метра помещений за год. К сожалению, наша страна значительно отстает от большинства европейских стран по данному показателю. Именно поэтому соответствующими документами, разработанными в Правительстве РФ, Министерстве регионального развития, Министерстве экономического развития, Правительстве города Москвы в развитие Федерального закона № 261-ФЗ, был установлен своего рода план – график снижения удельного расхода на отопление помещений. Эти показатели приведены на рис. 1.

Очевидно, что установленные в упомянутых документах темпы снижения удельного расхода энергии на отопление помещений не соблюдаются в настоящее время. Это связано со многими причинами, среди которых одной из основных является недостаточное использование в массовом строительстве современных энергосберегающих технологий, а также определенные политические моменты – в том числе, недостаточно решительные шаги региональных властей в направлении энергосбережения, а также то, что стоимость новых разработок, как правило, выше уже широко используемых. Однако то, что повышением энергетической эффективности в отечественной строительной отрасли заниматься необходимо, подтверждает опыт энергосбережения в Европе и США.

Согласно оценкам проф. Ю.А.Табунщикова [9] в балансе теплопотерь доля затрат тепловой энергии на подогрев вентиляционного воздуха (теплопотери за счет воздухообмена) будут еще более увеличиваться по сравнению с теплопотерями через оболочку здания по мере повышения требований к показателям теплозащиты ограждающих конструкций. На рис. 2 приведена диаграмма теплопотерь в многоквартирных домах типовых серий после достижения показателей, предусмотренных соответствующими рекомендациями федеральных и региональных органов на 2016 год (на примере г. Москвы).

Очевидно, что повышение энергетической эффективности зданий невозможно при улучшении только одного из их элементов (оболочки, систем отопления и пр.) – необходимо обеспечить комплексные решения этой проблемы. Тем более справедливо это утверждение при проектировании и строительстве «пассивных» домов, которые и задумывались с целью создания комфортных условий проживания с учетом всех составляющих, как конструкции здания, так и его инженерных систем.

Рис.1. Запланированное снижение удельного расхода энергии на отопление в зданиях в соответствии с рядом федеральных и региональных инструктивных документов (для климатических условий г. Москвы)    


Рис. 2. Диаграмма теплопотерь в многоэтажных домах типовых серий в соответствии с планами на 2016г. (стены, окна, вентиляция) до и после внедрения системы «активного» энергосбережения

В настоящее время решение проблемы энергосберегающего домостроения невозможно только за счет применения традиционных энергосберегающих технологий и мероприятий, предусматривающих только пассивное увеличение теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий. Этот ресурс экономии энергии практически исчерпан.  

Одним из новых перспективных решений в этом направлении является применение наружных ограждающих конструкций зданий с системой «активного» энергосбережения (САЭ), которые позволяют существенно повысить уровень теплозащиты и комфортности микроклимата помещений при значительной экономии топливно-энергетических ресурсов. Работы по созданию САЭ были начаты в России в последние годы на основе оригинальных исследований [10 - 12].

В основу метода активного энергосбережения положено совмещение САЭ с рекуперацией и утилизацией вторичных энергетических ресурсов, а также использование возобновляемых источников энергии. Используются методы рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения, дополнительная утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги. А также и применение ветровых дефлекторов и теплохладоаккумуляции с использованием солнечной энергии, поступление которой регулируется солнцезащитными и теплоотражающими устройствами.

Основной принцип действия системы рекуперации трансмиссионного тепла (за счет теплопередачи и конвекции) и радиационного тепла (тепловое излучение) заключается в особой организации условий поступления потока наружного воздуха и дальнейшего прохождения его через конструкцию ограждения. В воздушном промежутке создаётся воздушная завеса из холодного наружного воздуха, максимально охлаждающая поверхности, слои, теплоотражающие экраны и гибкие связи, которые передают тепло в атмосферу. Здание снаружи становится более холодным, уходившее ранее тепло передаётся входящему воздуху, используемому для вентиляции в нормируемом объёме. Тепло и влага вентиляционных выбросов может передаваться входящему воздуху посредством эффективных малогабаритных рекуператоров, встроенных в строительные конструкции.

Общая схема работы ограждающей конструкции для системы активного энергосбережения приведена на рис. 3 на примере использования светопрозрачной конструкции (аналогичный принцип может быть применен и для других ограждающих конструкций).

Рис. 3. Использование светопрозрачных конструкций при проектировании системы «активного» энергосбережения (САЭ)  

Предложенное авторами комплексное решение значительно уменьшает теплопотери через наружные ограждающие конструкции и в вентиляционных системах. Одна из основных составляющих предлагаемого нами комплексного технического решения - переход на децентрализованную приточно-вытяжную вентиляцию с эффективной рекуперацией тепла и влаги вентиляционных выбросов. Такие современные воздуховоздушные установки сегодня достаточно распространены, имеют стабилизированный регулируемый приток и вытяжку воздуха, а также очень высокий коэффициент полезного действия.  

В соответствии с нашими предварительными оценками, основанными на результатах проведенных в 2010 – 2012 годах лабораторных и натурных исследований, при использовании систем «активного» энергосбережения в зданиях различного назначения (в том числе – и в «пассивных» домах) можно значительно снизить теплопотери через ограждающие конструкции, а также в вентиляционных системах. Возможная экономия показана на рис. 2. Также возможно снизить удельные расходы на отопление до показателей, предусмотренных для европейских «пассивных» домов, что значительно лучше планов Правительства РФ по энергосбережению, намеченных на 2020 год (см. рис.1). При использовании системы «активного» энергосбережения в многоквартирных домах для условий г. Москвы возможно по нашим оценкам достичь значений удельного расхода на отопление и вентиляцию в районе 11 – 18 кВт•ч/ м2 в год с примерно равным балансом (по 33%) трех основных видов теплопотерь.

Этот уровень снижения теплопотерь представляется несколько фантастическим на сегодняшний день, однако, мы считаем его достижимым при применении предлагаемых систем «активного» энергосбережения.

На рис. 4 приведена принципиальная схема совместного функционирования приточно-вытяжной установки и энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) здания. В варианте, показанном на этой схеме, рассматривается децентрализованная поквартирная приточно-вытяжная вентиляция с обменом тепла и влаги, а также наружные ограждающие конструкции, состоящие из двух слоев: внутренней конструкции, внешней облицовки (остекления) и теплоотражающего экрана внутри воздушного потока. Приток и выброс использованного воздуха происходит через внешние вентиляционные шахты, размещенные на фасаде здания. Это позволяет несколько увеличить жилую площадь, а также отказаться от теплого чердака.

Приточный очищенный воздух поступает из вертикальной шахты и разводится по каналам в нижней части ЭВОК. Известно что, чем эффективней теплоотражающий экран, тем сильнее нагревается он под воздействием теплового излучения. Поэтому, когда экран находится в более холодной зоне и постоянно охлаждается потоком холодного воздуха с последующей рекуперацией тепла в помещение, теплотехнический эффект повышается. Как показывают исследования, за время прохода вверх воздушный поток нагревается примерно на 3-5°C (в отсутствие теплосъема - на 12-15°C). Далее воздух собирается каналом и поступает в воздуховоздушный рекуператор, где обменивается теплом и влагой с вентиляционными выбросами. Примерное распределение температуры при прохождении потоков воздуха по системе, также показано на рис. 4. Следует отметить, что после вертикального участка со съемом тепла, уходящего в атмосферу, можно предусматривать установку дополнительных теплообменников и теплохладоаккумуляторов для повышения энергетической эффективности системы «активного» энергосбережения. Поток воздуха в помещение целесообразно направлять по потолку, что повышает комфортность для обитателей.

Рис. 4. Схема совместного функционирования приточно-вытяжной установки энергоэффективной вентилируемой ограждающей конструкции здания (ЭВОК)  

Возможная схема совместного функционирования системы рекуперации тепла вентиляционных выбросов и тепла уходящего через наружные ограждения представлена на рис. 5. Схема представлена для обычной типовой 2-х комнатной квартиры. Рекуператор размещен в остекленной кухонной лоджии. Принцип движения воздушных потоков описан выше (при описании рис. 4).  

Рис. 5. Схема совместного функционирования системы рекуперации тепла вентиляционных выбросов и тепла уходящего через наружные ограждения в типовой 2-х комнатной квартире (рекуператор размещен в остекленной кухонной лоджии).