Новый подход к повышению энергоэффективности зданий
Т. А. Ахмяров, научный сотрудник
А. В. Спиридонов, канд. техн. наук, заведующий лабораторией
И. Л. Шубин, доктор техн. наук, директор Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ РААСН)
По данным [3] и Ассоциации навесных фасадных систем (АНФАС) для зданий выше 3 этажей стоимость применения теплоизоляции толщиной больше 150 мм резко возрастает.
В соответствии с рекомендациями [4] для так называемых пассивных зданий необходимо использовать стены с приведенным сопротивлением теплопередаче не менее 10,0 м²•°C/Вт (толщина теплоизоляции при этом составляет не менее 400–450 мм), а для окон этот показатель должен составлять не менее 1,5 м²•°C/Вт.
Примерно та же ситуация и со светопрозрачными конструкциями. Показано [5], что при использовании окон с приведенным сопротивлением теплопередаче 0,80–0,95 м² °C/Вт срок их окупаемости составляет 4–11 лет в зависимости от места строительства. Однако в некоторых российских регионах планируется увеличить этот показатель до 1,0 м²•°C/Вт с 2016 года, а в Германии – до 1,25 м²•°C/Вт. Подобные теплотехнические характеристики светопрозрачных конструкций достижимы только при применении специально разработанных профилей и стеклопакетов, что по некоторым данным увеличивает стоимость окон на 75–100% по сравнению с теми, сопротивление теплопередаче которых составляет 0,6 м²•°C/Вт. Экономическая (да и энергетическая) окупаемость таких конструкций в сегодняшних ценах на энергоносители достаточно проблематична, поэтому все большее внимание уделяется технологиям активного энергосбережения.
Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции зданий с использованием САЭ
Предлагаем принципиально новый подход к повышению энергоэффективности наружных ограждающих конструкций с активной рекуперацией выходящего теплового потока, который можно использовать в строительных конструкциях как строящихся, так и реконструируемых зданий и сооружений.
Одним из новых перспективных решений в этом направлении является, на наш взгляд, применение энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) зданий с использованием САЭ с рекуперацией тепла, позволяющих повысить уровень теплозащиты и комфортности микроклимата помещений при значительной экономии топливно-энергетических ресурсов.
Обеспечение экономичных энергосберегающих мероприятий во вновь проектируемых, а также в реконструируемых жилых и общественных зданиях в настоящее время является основной тенденцией в строительной отрасли.
В предлагаемых технических решениях используются методы активной рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения, а также дополнительная рекуперация и утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги. Планируется повысить эффективность конструкций за счет применения ветровых вентиляционных дефлекторов повышенной энергоэффективности и теплохладоаккумуляции на фазовых переходах с использованием солнечной энергии, поступление которой будет регулироваться специально разработанными солнцезащитными и теплоотражающими устройствами.
Принцип действия
Основной принцип действия (рис. 1) системы по 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, а также теплоотражения с помощью специальных экранов (автономных или в виде покрывающих слоев). В воздушном промежутке на входе воздушного потока создается плоская воздушная завеса из холодного поступающего воздуха, максимально охлаждающая поверхности, слои, теплоотражающие экраны и гибкие связи, которые передают тепло в атмосферу.
Принцип действия энергоэффективной вентилируемой ограждающей конструкции (на примере светопрозрачной конструкции)²
Здание снаружи становится более холодным, уходившее ранее тепло передается приточному воздуху, который – уже подогретый – используется в дальнейшем для вентиляции в нормируемом объеме (или даже большем) без зоны дискомфорта, что повышает комфортность микроклимата и позволяет интенсивно вентилировать помещение в присутствии людей.
Таким образом, поток наружного воздуха одновременно используется для нескольких целей:
- необходимой вентиляции и повышения уровня комфортности микроклимата помещений;
- улучшения теплозащиты как своеобразный дополнительный утеплитель;
- активной рекуперации тепла в помещении как удобный, безопасный и дешевый теплоноситель, который осуществляет теплосъем со всего, что передает тепло в атмосферу, повышая теплотехническую однородность и долговечность наружных ограждающих конструкций.
Воздух как утеплитель и теплоноситель
Хорошо известно, что одним из самым эффективных утеплителей является воздух, в том случае, если он малоподвижен. Именно поэтому в традиционных утеплителях для повышения теплотехнической эффективности используется увеличение числа конвекционных ячеек, количества воздушных промежутков, задержка движения воздуха пушистыми материалами, использование тяжелых инертных газов с повышенной вязкостью и т.п. Эти методы снижают конвекцию и теплопередачу.
Естественно, что поток холодного наружного воздуха, особенно интенсивный и влажный, эффективно осуществляет теплосъем с поверхностей наружных ограждений, увеличивает теплопотери и отрицательно действует на энергосбережение. Однако это происходит в случаях, когда поток после взаимодействия с теплыми поверхностями возвращается в атмосферу.
В случае, когда воздушный поток, который осуществил эффективный теплосъем с нужных поверхностей, направляется внутрь помещения путем переключения пути следования, получается также значительный тепловой эффект, но уже с положительным знаком.
Характер описываемых процессов зависит от геометрии прослойки, теплофизических характеристик материалов, температуры внутреннего и наружного воздуха, расхода фильтрующегося воздуха, конструкции приемных и выводящих клапанов.
Следует отметить, что в этих условиях совместное действие теплоотражающего экрана в воздушном промежутке и вентилирования через этот промежуток с активной рекуперацией выходящего теплового потока внутрь помещения повышает тепловой эффект в 5–10 раз, что доказано экспериментально в постановочных экспериментах [6, 7]. Этот эффект в дальнейшем будет повышен в результате оптимизации. Очень важно и место размещения экрана, его характеристики и то, куда идет тепло от нагретого теплоотражающего экрана, расположенного в воздушной прослойке,– в атмосферу или рекуперируется внутрь помещения.
При правильной организации поступления и прохождения наружного воздуха через конструкцию возможно снизить теплопотери из помещения практически до минимума, что также было доказано экспериментально. В предлагаемом техническом решении холодный наружный воздух становится внутренним воздухом конструкции сразу после прохождения входной щели. В зимнем режиме он уже не может выйти в атмосферу, а проходит дальше внутрь конструкции, нагреваясь за счет тепла, выходящего из помещения через ЭВОК. Входная щель расположена в нижней внешней части модуля наружной ограждающей конструкции.
При направлении потока на внутреннюю поверхность наружного экрана происходит срывание воздушной завесой из холодного входящего воздуха естественного конвекционного потока, который ранее (при отсутствии воздушной завесы) опускался по внутренней поверхности наружного экрана (оболочки) здания.
Сразу на начальном этапе воздушная завеса охлаждает практически до наружной температуры наружную оболочку изнутри, а также другие слои, включая теплоотражающие экраны, и гибкие связи, которые передают тепло в атмосферу. Происходит выгодное использование «зоны дискомфорта с наружной температурой» до входа вентиляционного воздуха в помещение с применением установившегося режима с активным обдуванием поверхностей теплосъема большой площади экономичной затопленной полуограниченной плоской струей поступающего холодного воздуха. Соответственно, здание с наружной оболочкой и внешними теплоотражающими экранами, охлажденными практически до наружной температуры, практически не будет терять тепло в атмосферу через наружные ограждающие конструкции.
СПРАВКА 1
Некоторые основы проектирования ограждающих конструкций с вентилируемыми прослойками разрабатывались в нашей стране во второй половине прошлого века. Так, авторами [8] были исследованы процессы теплообмена через светопрозрачные конструкции при герметичной воздушной прослойке в условиях свободной конвекции, влияние геометрических характеристик конструкции окна на теплообмен.
В [9] изучен характер формирования температурных полей и пограничных слоев при различных режимах и степени фильтрации наружного или внутреннего воздуха, определены значения и изучен характер изменения коэффициентов теплообмена на поверхности остекления в зависимости от высоты воздушной прослойки и режима фильтрующегося воздуха, выполнены расчеты тепловых потоков по конвективной и радиационной составляющей, построены критериальные соотношения, связывающие термическое сопротивление воздушной прослойки с температурными, теплофизическими и аэродинамическими параметрами воздушной среды.
Теоретические основы эффекта рекуперации тепла при поперечной фильтрации воздуха через наружные ограждающие конструкции заложены в [10]. А авторами [11] и [12] разработаны методы расчета наружных ограждений для продольно-поперечной многомерной фильтрации, созданы и испытаны вентилируемые наружные стеновые панели и окна.
Подтверждение эффективности инновационного технического решения
Актуальность перехода от неуправляемой инфильтрации наружного воздуха к организованной регулируемой подаче через специальные приточные устройства при условии сохранения комфортного микроклимата в помещении диктуется экономическими и гигиеническими положениями соответствующих нормативных документов.
Эффективность предлагаемого инновационного технического решения определяется возможностью создания специальных условий теплоотражения и плоской струи наружного воздуха, прилегающей к наружному экрану.
На внутренней поверхности наружного остекления (или облицовочной панели) происходит срыв конвективного потока плоским (полуограниченным, затопленным) потоком поступающего холодного воздуха (своеобразной воздушной завесой) с активным теплосъемом со всех поверхностей, слоев, теплоотражающих экранов и гибких связей, которые передавали тепло в атмосферу.
Этот процесс известен как «эффект Коанда» (см. справку 2) для затопленных (т.к. процесс идет в такой же среде) потоков, которые движутся вблизи плоской поверхности (т.е. являются полуограниченными) и захватывают частицы среды с собой. Между движущимся потоком и твердой плоской поверхностью образуется зона разрежения, которая заставляет поток (ламинарный и турбулентный) «прилипать» к плоской поверхности. В случае плоского турбулентного потока в установившемся режиме эффективность теплообмена между потоком и плоскостью повышается многократно.
Этот эффект применяют и в проектировании систем кондиционирования для создания эффекта прилипшей к потолку струи воздуха для лучшей циркуляции воздуха в помещении.
Основные процессы, происходящие в воздушной прослойке энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций при организованной подаче в нее струи наружного воздуха, следующие:
- срыв поступающей воздушной струей падающего конвекционного потока;
- прилипание поступающей воздушной струи к наружной поверхности ограждения за счет эффекта Коанда;
- обеспечение принципа диагональности прохождения плоского воздушного потока за счет разнесения притока и вытяжки воздуха по различным углам конструкции;
- повышение эффективности теплосъема со всех теплоотдающих слоев с помощью плоской прижатой турбулентной воздушной завесы;
- повышение тепловой однородности ограждающей конструкции за счет практически полного исключения утечек тепла по связям (мостикам), что позволяет применять в ЭВОК материалы с большей теплопроводностью;
- охлаждение теплоотражающих поверхностей и экранов, в том числе с активной рекуперацией (возвратом) уходящего из здания тепла.
Определение теплотехнической эффективности конструкций ЭВОК
Общепринятым в России критерием оценки теплотехнической эффективности строительных материалов и изделий, в том числе наружных ограждающих конструкций, является их приведенное сопротивление теплопередаче. Согласно своду правил3 и [13] «приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента ограждающей конструкции Rо, м²•°C/Вт – физическая величина, характеризующая усредненную по площади плотность потока теплоты через фрагмент теплозащитной оболочки здания в стационарных условиях теплопередачи, численно равная отношению разности температур по разные стороны фрагмента к усредненной по площади плотности потока теплоты через фрагмент».
Для определения этого показателя имеются как разработанные и стандартизованные методики и оборудование, так и соответствующие методы расчета, что позволяет сравнивать и оценивать теплотехнические характеристики различных конструкций.
Предлагаемые нами энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции невозможно оценивать только по приведенному сопротивлению теплопередаче, т.к. в процессе эксплуатации они функционируют во внешних условиях, которые изменяются в широком диапазоне. При этом вентилирование и теплосъем в воздушной прослойке осуществляются наружным воздухом в режиме приточных устройств системы приточно-вытяжной вентиляции.
Для оценки описываемых в рамках настоящей работы конструкций ЭВОК предлагаются (дополнительно к существующим) еще два показателя (см. справку 3).
Следует отметить, что ЭВОК может успешно функционировать и в жаркое летнее время в режиме кондиционирования с защитой от солнца и перегрева помещения. Поэтому представляется целесообразным оценивать ЭВОК и комплексную САЭ в общепринятом порядке по реальному удельному энергопотреблению здания на отопление и вентиляцию за целый год эксплуатации.
СПРАВКА 2
Эффект Коанда — физическое явление, названное в честь румынского ученого Анри Коанда, обнаружившего в 1932 году, что струя жидкости, вытекающая из сопла, расположенного у стенки, стремится отклониться по направлению к этой стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления.
Основной принцип действия эффекта Коанда в ограждающих конструкциях показан на рисунке.
Сегодня эффект Коанда широко используется в авиастроении, автомобилестроении, проектировании систем кондиционирования зданий.
СПРАВКА 3
- Коэффициент уменьшения плотности теплового потока (Куп) при прохождении в центральной зоне ограждающей конструкции. Коэффициент показывает, насколько уменьшается тепловой поток и, соответственно, повышаются теплотехнические характеристики модуля ограждающей конструкции, и определяется как Куп = qт(ц)/qх(ц).
- Коэффициент рекуперации (возвращения) теплового потока (Крп), который определяется в процентах от плотности входящего теплового потока:
Крп = [(qт(ц) – qх(ц))/qт(ц)]•100 %, где qт(ц) и qх(ц) – плотность теплового потока на поверхностях ограждающей конструкции соответственно с теплой и с холодной стороны (индекс «ц» – в центральной зоне модуля ограждающей конструкции).
Цели испытаний энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций
В ближайшее время в НИИСФ РААСН совместно с рядом институтов и производственных компаний предполагается провести целый комплекс исследовательских работ по испытаниям различных вариантов энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций с целью разработки методов и технологий для повышения уровня энергосбережения и комфортности микроклимата помещений, а также опытное внедрение технологий активного энергосбережения на различных объектах. Результатом должно стать решение следующих основных проблем:
- повышение теплозащиты энергоэффективных наружных ограждающих конструкций за счет активной рекуперации выходящего теплового потока и оценка энергетической эффективности использования перспективных конструкций в зданиях и сооружениях различного назначения;
- оценка эффективности дополнительного использования регулируемой рекуперации и утилизации низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов с повышенным уровнем воздухообмена;
- разработка гибридной системы вентиляции повышенной комфортности с применением ветровых приточных (нагнетающих) и вытяжных вентиляционных дефлекторов повышенной энергоэффективности4 на новых принципах эжекции, которая будет совмещена с другими элементами комплексной системы активного энергосбережения;
- применение в системе гибридной вентиляции устройств теплохладоаккумуляции на фазовых переходах с повышенной степенью автономности, а также внедрение солнцезащитных и теплоотражающих устройств с использованием солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения;
- разработка совмещенной системы контроля и управления параметрами микроклимата, потреблением энергоресурсов, а также энергосберегающее авторегулирование режимов микроклимата, теплозащиты, вентиляции, теплохладоаккумуляции, отопления, инженерного оборудования;
- разработка решений по использованию технологий активного энергосбережения в светопрозрачных и ограждающих конструкциях, а также оценка влияния различных видов теплоотражающих экранов (автономных, стационарных, регулируемых, съемных, слоев, покрытий, светопрозрачных, непрозрачных и т. п.) и их расположения на эффективность конкретных промышленных конструкций в составе общей комплексной САЭ.
Испытания, проведенные в 2013 году в климатической камере НИИСФ РААСН, показали, что для ЭВОК возможно повысить энергетическую эффективность в несколько раз относительно существующих современных ограждающих конструкций и действующих норм. Были получены коэффициенты рекуперации теплового потока выше 90% для светопрозрачных и выше 95% для непрозрачных ограждающих конструкций. Доказана и возможность ступенчатого повышения эффективности за счет размещения и последовательного действия двух и более теплоотражающих экранов/слоев в зоне действия воздушной завесы.
Это позволяет предположить возможность практически полной рекуперации теплового потока через ЭВОК, включая светопрозрачные конструкции. А это, соответственно, открывает новые перспективы для строительства и реконструкции зданий (сооружений, теплиц) с большим коэффициентом остекления.
Литература
Шубин И.Л., Спиридонов А.В. Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения // Вестник МГСУ.– 2011.– № 3. Т. 1.
European Commission. The 2020 Climate and Energy Package. December 12, 2010.
Гагарин В.Г. Санация теплозащитной оболочки при реконструкции жилых зданий в городах России. Реконструкция, энергетическая модернизация жилых зданий и тепловой инфраструктуры в Российской Федерации: Материалы Российско-немецкого технического семинара 8–9 декабря 2011. М., 2012.
Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов.М. : АСВ, 2011. 144 с.
Абдурафиков Р.М., Спиридонов А.В. Как оценивать энергоэффективные окна // Энергосбережение.– 2013.– №№ 7–8.
Беляев В.С., Лобанов В.А., Ахмяров Т.А. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла // Жилищное строительство.– 2011.– № 3.
Ахмяров Т.А., Беляев В.С., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла // Энергосбережение.– 2013.– № 4.
Дроздов В.А., Савин В.К., Александров Ю.П. Теплообмен в светопрозрачных ограждающих конструкциях.М. : Стройиздат, 1979. 307 с.
Хлевчук В.Р., Артыкпаев Е.Т. Теплотехнические и звукоизоляционные качества ограждения домов повышенной этажности.М. : Стройиздат, 1979. 255 с.
Ушков Ф.В. Теплопередача наружных ограждающих конструкций при фильтрации воздуха.М. : Стройиздат, 1969. 146 с.
Беляев В.С., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоэффективных зданий.М. : Высшая школа, 1992. 255 с.
Умнякова Н.П. Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией // Жилищное строительство.– 2014.– №№ 1–2.
Фокин К.Ф. Строительная теплофизика ограждающих частей зданий.М. : АВОК-ПРЕСС, 2006. 251 с.
2 Патент РФ2295622. Вентилируемое окно / Ахмяров Т. А.; Заявл. 14.03.2005. Опубл. 20.03.07. Бюл. № 8.
3 Свод правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02–2003).
4 Патент РФ2447366. Эжекционный способ создания тяги в вентиляционных и дымовых трубах с использованием энергии ветра/Аркадов Ю. К., Батура Н. И., Ахмяров Т. А.; Заявл. 10.11.2010. Опубл. 10.04.12. Бюл. № 10. Патент РФ2447367. Дефлектор ветра для вентиляционных и дымовых труб (варианты)/Аркадов Ю. К., Батура Н. И., Ахмяров Т. А.; Заявл. 10.11.2010. Опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10.
