Исследования эффективности вентилируемых ограждающих и светопрозрачных конструкций с активной рекуперацией выходящего теплового потока. I часть
Ахмяров Т.А., научный сотрудник
Лобанов В.А., заведующий лабораторией
Спиридонов А.В., к.т.н., заведующий лабораторией
Шубин И.Л., д.т.н., директор института
Научно-исследовательский институт
строительной физики (НИИСФ РААСН)
Для оценки эффективности разработанных в соответствии с предложенными авторами новыми принципами проектирования [1] ограждающих и светопрозрачных конструкций с использованием технологий активного энергосбережения с активной рекуперацией выходящего теплового потока [2, 3] в течение 2013 – 2014 годов в НИИСФ РААСН были проведены широкомасштабные экспериментальные исследования в климатических камерах института.
На основании результатов предварительных исследований, проведенных в 2010 – 2012 годах [4, 5] были определены основные параметры нового поколения ограждающих (ЭВОК) и светопрозрачных (ЭВСОК) конструкций с активной рекуперацией теплового потока.
Основной целью исследований, представленных в настоящей статье, являлось подтверждение эффективности новых принципов проектирования и принципиальных технических решений энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций зданий на основе механизма активной рекуперации выходящего теплового потока и влаги с использованием турбулентных воздушных потоков наружного воздуха в организованной воздушной прослойке ЭВОК и ЭВСОК, обеспечении специальных граничных условий в этой прослойке, в том числе – с применением современных теплоотражающих экранов. Фактически, предлагается заменить традиционные теплоизоляционные материалы мощным теплофизическим процессом, который может работать как в стенах и крышах, так и в светопрозрачных конструкциях. При этом обеспечивается повышение уровня воздухообмена и комфортности микроклимата помещений в условиях значительного снижения удельного энергопотребления зданий.
Как было показано ранее [1 – 3], физические процессы, используемые в предложенных авторами ограждающих и светопрозрачных конструкциях, аналогичны. В этой связи, для удобства исследований нами использовались базовая модель и экспериментальный стенд (рис.1) на основе остекленных деревянных рам с регулируемым расстоянием между стеклами, возможностью дополнительной установки слоев непрозрачных материалов и специальных теплоотражающих экранов (автономных и в виде покрытий), изменяемым направлением воздушного потока из наружного в межстекольное пространство, а также скоростью и объемом поступающего потока наружного воздуха в широком диапазоне.
Рисунок 1. Блок-схема модуля, на котором проводились исследования.
а – светопрозрачная конструкция; б – вентилируемый фасад.
1 – оконная коробка (дерево); 2 – стекло; 3, 7 – рамные элементы (дерево); 4 – входная щель; 5 – доборные элементы (дерево); 6 – выходная щель; 8 – короб для входа наружного воздуха; 9 – теплоотражающий экран из алюминиевой фольги; 10 – панель вентилируемого фасада; 11 – короб для выходящего воздуха с вентилятором на торце; 12 – плита утеплителя; 13 – направление движения приточного воздуха
Для проведения испытаний был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд со съемными оконными рамами, а также вентиляционная система (вентиляторы, каналы, сопла, расходомеры и т.д.) и измерительная система (оценка тепловых потоков, температур в воздухе и на поверхностях светопропускающего заполнения). Схематически основные варианты экспериментальных стендов приведены на рис.2.
Испытания ЭВСОК проводились из предположения, что если бы удалось обеспечить достаточно низкие уровни теплопотерь в светопрозрачных конструкциях, те же принципиальные решения могут гарантировать значительное снижение теплопотерь и в непрозрачных ЭВОК (стенах и крышах).
Рисунок 2. Основные варианты экспериментальных стендов
а. – экспериментальный стенд №1; б. – экспериментальный стенд №2; в. – экспериментальный стенд №3; г. – экспериментальный стенд №4; д. – экспериментальный стенд №5.
Подробная детализация особенностей первоначальных конструкций экспериментальных стендов приведена ниже:
- Экспериментальный стенд №1 – одно простое стекло М1 в спаренной деревянной раме ОС по ГОСТ 11214-86. Воздушный поток направляется снизу, установлено два вентилятора, которые работают на приток и вытяжку. На входе воздушного потока установлено регулируемое распределительное сопло, на выходе – также регулируемое распределительное сопло. В данном варианте экспериментального стенда подача и сбор воздуха происходили из вентиляционных каналов внутренним сечением 58х150мм, которые были размещены в нижней и верхней частях конструкции. Приток и вытяжка могли меняться местами;
- Экспериментальный стенд №2 – наружное простое стекло М1 и отнесенный на 140 мм однокамерный стеклопакет 4Их16х4 (внешнее И-стекло с теплоотражающим покрытием, направленным в теплую сторону, внутреннее простое стекло, в межстекольном пространстве – воздух). Два вентилятора установлены для работы на приток и вытяжку с регулируемым расходом воздуха. На входе воздушного потока оборудовано регулируемое распределительное сопло и щель с изменяемой шириной, на выходе воздушного потока также установлено регулируемое распределительное сопло;
- Экспериментальный стенд №3 – наружное простое стекло М1 и отнесенная на 140мм спаренная рама с двумя простыми стеклами М1. Два вентилятора установлены для работы на приток и на вытяжку с изменяемым расходом воздуха. На входе воздушного потока установлены регулируемое распределительное сопло и щель с изменяемой шириной, на выходе воздушного потока – также оборудовано регулируемое распределительное сопло. В ряде испытаний использовались стекла с теплоотражающими покрытиями;
- Экспериментальный стенд №4 – наружное К-стекло с теплоотражающим покрытием, обращенным в теплую сторону, а также отнесенная на 140 мм спаренная рама с одним внешним простым стеклом М1. На расстоянии 30 мм от наружного стекла установлен светопрозрачный теплоотражающий экран из К-стекла (по бокам щели шириной 30 мм, сверху – регулируемое распределительное сопло и щель с изменяемой шириной). Два вентилятора установлены для работы на приток и вытяжку с регулируемым расходом воздуха. На входе воздушного потока установлены регулируемое распределительное сопло и щель с изменяемой шириной, на выходе воздушного потока также оборудовано распределительное сопло;
- Экспериментальный стенд №5 – наружное К-стекло с теплоотражающим покрытием, обращенным в теплую сторону, а также на расстоянии 12 мм от наружного стекла установлен стеклопакет 4Их16х4 (боковые стороны и низ заделаны герметиком, сверху имеется распределительное сопло толщиной 5 мм). Два вентилятора установлены для работы на приток и на вытяжку с регулируемым расходом воздуха по приточному и по вытяжному расходомеру. На входе воздушного потока установлены регулируемое распределительное сопло и щель с изменяемой шириной, на выходе воздушного потока – регулируемое распределительное сопло.
Всего в ходе экспериментов было исследовано более 100 различных ситуаций. В каждом из экспериментальных модулей (рис.2) была обеспечена возможность установки дополнительных теплоотражающих экранов, изменения расстояния между экранами и светопропускающим заполнением, объема приточного воздуха, размеров распределительных сопел и щелей, а также других параметров испытываемой конструкции.
Испытания были проведены в модернизированной климатической камере ЭК-10 НИИСФ РААСН, позволявшей моделировать процесс активной рекуперации выходящего теплового потока посредством одновременного создания перепада температуры и давления воздуха на наружной и внутренней поверхностях экспериментального образца, а также специальных условий для активной рекуперации наружным воздухом теплового потока и влаги, выходящих из помещения, за счет использования свойств турбулентных воздушных потоков в воздушной среде и условий для теплоотражения.
Измерения оконного блока проводились в соответствии с ГОСТ 26602.1–99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче». Температурные условия при испытаниях составляли:
- в холодной части климатической камеры – -28 ºС;
- в теплой части климатической камеры – +19 – 20 ºС.
В исследованиях использовались канальные радиальные вентиляторы 100 VKO VENTS малой мощности (9-14 Вт), расход воздуха в экспериментах изменялся в диапазоне от 56 до 9 м³/ч.
Размеры входных и выходных распределительных сопел могли варьироваться от 0 до 10 мм, ширина входных щелей могла меняться от 3 до 10 мм.
Датчики температуры и теплового потока размещались на поверхностях остекления оконного блока и в межстекольном пространстве по вертикальной и горизонтальной осям в центрах однородных температурных зон. Для получения более полной информации о теплопередаче в ЭВОК и ЭВСОК дополнительно устанавливались датчики температуры внутри конструкции и датчики на наружной поверхности остекления оконного блока, откалиброванные для проведения измерений в зоне отрицательной температуры.
