архив» все записи»

Автор: Т. А. Ахмяров, А. В. Спиридонов, И. Л. Шубин
Дата: 23.05.2014
«СтройПРОФИ» № 20
Рубрика: Энергосбережение


Технологии активного энергосбережения

В настоящей статье рассмотрен принципиально новый подход к повышению энергетической эффективности наружных ограждающих конструкций нового поколения — с активной рекуперацией тепла, — который можно использовать в строительных конструкциях как строящихся, так и реконструируемых зданий и сооружений различного назначения.

Большинство современных мер, направленных на повышение теплотехнических характеристик окон, фасадов и ограждающих конструкций, необходимость которых вытекает из мировых тенденций к энергосбережению в строительной отрасли [1–6], относится к пассивным методам, которые, по многим оценкам, являются в настоящее время экономически нецелесообразными. В частности, по данным профессора Гагарина В. Г. и Ассоциации навесных фасадных систем (АНФАС) [7], для зданий выше 3-х этажей стоимость применения теплоизоляции толщиной больше 150 мм резко возрастает.

В соответствии с рекомендациями доктора В. Файста и Institut r Passiv Haus (Германия) [8] для очень распространенных сегодня так называемых «пассивных зданий» необходимо использовать стены с приведенным сопротивлением теплопередаче не менее 10 (м2·°С)/Вт (толщина теплоизоляции при этом составляет не менее 400–450 мм), а для окон этот показатель должен составлять не менее 1,5 (м2·°С)/Вт.

Примерно та же ситуация и со светопрозрачными конструкциями. Показано [9], что при использовании окон с приведенным сопротивлением теплопередаче 0,8–0,95 (м2·°С)/Вт их окупаемость составит 4–11 лет, в зависимости от места строительства. Однако планируется увеличить этот показатель в некоторых российских регионах до 1 (м2·°С)/Вт с 2016 года, а в Германии — до 1,25 (м2·°С)/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·°С)/Вт. Экономическая (да и энергетическая) окупаемость таких конструкций в сегодняшних ценах на энергоносители весьма проблематична. Именно поэтому в последние годы все большее внимание уделяется достаточно новой идеологии энергетической эффективности, базирующейся на технологиях системы активного энергосбережения. 

В целом к системе активного энергосбережения относятся технологии и конструкции, которые используют вторичные энергоресурсы, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, а также авторегулирование при изменении условий (как внешних, так и внутренних). К ним относятся следующие направления и их комбинации:
- механические приточно-вытяжные системы вентиляции с рекуперацией и утилизацией теплоты вентиляционных выбросов;
- авторегулируемая вытяжная вентиляция с механическим побуждением и естественным притоком через вентиляционные клапаны в окнах или наружных ограждающих конструкциях;
- теплонасосные системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения);
- системы, рекуперирующие и утилизирующие теплоту вентиляционных выбросов, канализационных стоков и др.;
- системы аккумулирования тепла и холода, в том числе с использованием материалов с возможностью фазовых переходов;
- эффективные отопительные приборы с регулируемой теплоотдачей;
- системы автоматизированного учета потребления энергоресурсов и управления микроклиматом, обеспечивающего экономию энергии и снижение пиковых электрических нагрузок;
- системы, использующие солнечную, ветровую, геотермальную энергию и др.;
- энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока.

Одним из новых перспективных направлений является, на наш взгляд, применение энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) зданий с системой активного энергосбережения (САЭ) с рекуперацией тепла, позволяющих повысить уровень теплозащиты и комфортности микроклимата помещений при значительной экономии топливно-энергетических ресурсов.

Обеспечение экономичных энергосберегающих мероприятий, как во вновь проектируемых, так и в реконструируемых жилых и общественных зданиях, в настоящее время является основной тенденцией в строительной отрасли. В предлагаемых нами технических решениях используются методы рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения, дополнительная рекуперация и утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции, а также и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги. В дальнейшем планируется повысить эффективность конструкций за счет применения ветровых вентиляционных дефлекторов повышенной энергоэффективности на новых принципах эжекции и теплохладоаккумуляции на фазовых переходах с использованием солнечной энергии, поступление которой будет регулироваться специально разработанными 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, 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. Здание снаружи становится более холодным, уходившее ранее тепло передается входящему 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 необходимой вентиляции и повышения уровня комфортности микроклимата в помещении;
- для улучшения теплозащиты (как своеобразный дополнительный утеплитель);
- для рекуперации тепла в помещение (как удобный, безопасный и дешевый теплоноситель, который осуществляет теплосъем со всего, что передает тепло в атмосферу, повышая теплотехническую однородность и долговечность наружных ограждающих конструкций).

Хорошо известно, что воздух является одним из самых эффективных утеплителей, если он малоподвижен. Именно поэтому в традиционных утеплителях для повышения их теплотехнической эффективности производитель увеличивает число конвекционных ячеек, количество воздушных промежутков, использует пушистые материалы, задерживающие движение воздуха, а также выделение из воздуха инертных фракций с повышенной вязкостью и т. п. — все эти методы снижают конвекцию и теплопередачу.
Естественно, что поток холодного наружного воздуха, особенно, когда он интенсивный и влажный, эффективно охлаждает поверхность наружных ограждений, увеличивает теплопотери и отрицательно сказывается на энергосбережении. Это происходит в тех случаях, когда поток после взаимодействия с теплыми поверхностями возвращается в атмосферу. Однако, 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, температур 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 внутрь помещения повышает тепловой эффект в 5–10 раз, что доказано экспериментально в постановочных экспериментах [10, 11]. Этот эффект будет повышен в дальнейшем в результате оптимизации.

Очень важно и место размещения экрана, его характеристики, направление движения тепла от нагретого теплоотражающего экрана, расположенного в воздушной прослойке (в атмосферу или рекуперируется внутрь помещения). Принцип действия энергоэффективной вентилируемой ограждающей конструкции представлен на рис. 1 (на примере светопрозрачной конструкции) [12]. При правильной организации поступления и прохождения наружного воздуха через конструкцию можно снизить теплопотери из помещения через ЭВОК практически до минимума, что также было доказано экспериментально.

 Использование светопрозрачных конструкций при разработке САЭ

  Рис. 1. Использование светопрозрачных конструкций при разработке САЭ 

1 – внешнее остекление
2 – внутреннее остекление
3 – промежуточное остекление
4 – наружное межстекольное пространство
5 – внутреннее межстекольное пространство
6 – входные отверстия
7 – вентиляционные отверстия
8 – выходные отверстия
9 – обратный клапан
10 – козырек
11 – оконная коробка
12 – регулирующее устройство входящего воздуха
15 – отлив
16 – теплоотражающий экран (жалюзи, светопрозрачная пленка с покрытием)

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. Входная щель расположена внизу 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. Поэтому здание с наружной оболочкой и внешними теплоотражающими экранами, охлажденными практически до наружной температуры, соответственно, практически не будет терять тепло в атмосферу через наружные ограждающие конструкции.

Некоторые основы проектирования ограждающих конструкций с вентилируемыми прослойками разрабатывались в нашей стране во второй половине прошлого века. Так, В. А. Дроздовым, В. К. Савиным и Ю. П. Александровым [13] исследованы процессы теплообмена через светопрозрачные конструкции при герметичной воздушной прослойке в условиях свободной конвекции и влияние геометрических характеристик конструкции окна на теплообмен; В. Р. Хлевчуком и Е. Т. Артыкпаевым [14] изучен характер формирования температурных полей и пограничных слоев при различных режимах и степенях 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; Ф. В. Ушковым [15] заложены теоретические основы эффекта рекуперации тепла при поперечной фильтрации воздуха через наружные ограждающие конструкции; В. С. Беляевым [16] и Н. П. Умняковой [17] разработаны методы расчета наружных ограждений для продольно-поперечной многомерной фильтрации, созданы и испытаны вентилируемые наружные стеновые панели и окна.

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» (Эффект Коанда — физическое явление, названное в честь румынского ученого Анри Коанды, который в 1932 году обнаружил, что струя воздуха или жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к 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 ) для затопленных (т. к. процесс идет в такой же среде) потоков, которые движутся вблизи плоской поверхности (т. е. полуограниченных) и захватывают частицы среды с собой. Между движущимся потоком и твердой плоской поверхностью образуется зона разряжения, 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. 

 Возмущение конвективного потока плоской струей входящего воздуха

 Рис. 2. Возмущение конвективного потока плоской струей входящего воздуха

Принцип действия эффекта Коанда в ограждающих конструкциях показан на рис. 2. Этот эффект применяют в проектировании систем кондиционирования (для создания эффекта прилипшей к потолку струи воздуха, для лучшей циркуляции воздуха в помещении).

Перечислим основные процессы, которые происходят в воздушной прослойке энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций при организованной подаче в нее струи наружного воздуха:
- срыв поступающей воздушной струей подающего 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 практического исключения утечек тепла по связям (мостикам), что позволяет в ЭВОК применять материалы с большей теплопроводностью;
- охлаждение теплоотражающих поверхностей и экранов с активной рекуперацией (возвратом) уходящего из здания тепла.

В России общепринятым критерием теплотехнической эффективности строительных материалов и изделий, в том числе наружных ограждающих конструкций, является их приведенное сопротивление теплопередаче. В СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», а также работе К. Ф. Фокина [18, 19] указывается: «Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента ограждающей конструкции Rо, (м2·°С)/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 находятся 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 предлагаемых в рамках настоящей работы конструкций ЭВОК предлагаются (дополнительно к существующим) еще два показателя.
1. Коэффициент уменьшения плотности теплового потока (Куп) при прохождении в центральной зоне ограждающей конструкции (определяет ориентировочно, на сколько уменьшается тепловой поток и, соответственно, повышаются теплотехнические характеристики модуля ограждающей конструкции):
Куп = qт (ц)/qх (ц). (1)
2. Коэффициент рекуперации (возвращения) теплового потока (Крп), который определяется в процентах от плотности входящего теплового потока:
Крп = (qт (ц) – qх (ц)) х 100%/qт (ц), (2)
где qт (ц) и qх (ц) — плотность теплового потока на поверхностях ограждающей конструкции с теплой стороны и холодной (индекс «ц» — в центральной зоне модуля ограждающей конструкции).

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. В ближайшее время в НИИ строительной физики совместно с рядом институтов и производственных компаний предполагается провести целый комплекс исследовательских работ по испытаниям энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций с целью разработки методов и технологий для повышения уровня энергосбережения и комфортности микроклимата в помещениях, а также опытное внедрение технологий активного энергосбережения на различных объектах.

В ходе проведения этих мероприятий планируется решение следующих основных задач:
- повысить теплозащиту энергоэффективных наружных ограждающих конструкций за счет рекуперации тепла и оценить энергетическую эффективность использования перспективных конструкций в зданиях различного назначения;
- оценить эффективность дополнительного использования регулируемой рекуперации и утилизации низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов с повышенным уровнем воздухообмена;
- разработать «гибридную» систему вентиляции повышенной комфортности с применением ветровых вентиляционных дефлекторов повышенной энергоэффективности [20, 21] на новых принципах эжекции, которая будет совмещена с другими элементами системы активного энергосбережения;
- в системе «гибридной» вентиляции применить устройства теплохладоаккумуляции на фазовых переходах с повышенной степенью автономности, а также солнцезащитные и теплоотражающие устройства с использованием солнечной энергии (для отопления и горячего водоснабжения);
- разработать совмещенную систему контроля и управления параметров микроклимата, потребления энергоресурсов, а также энергосберегающее авторегулирование режимами микроклимата, теплозащиты, вентиляции, теплохладоаккумуляции, отопления, инженерного оборудования;
- разработать решения по использованию технологий активного энергосбережения в светопрозрачных и ограждающих конструкциях, а также оценить влияние различных теплозащитных экранов 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 по отношению к существующим современным ограждающим конструкциям и действующим нормам. 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 2-х и более теплоотражающих экранов/слоев в зоне действия воздушной завесы. Это позволяет предположить возможность практически полной рекуперации теплового потока через ЭВОК, включая светопрозрачные конструкции, что, соответственно, открывает новые перспективы для строительства и реконструкции зданий (сооружений, теплиц) с большим коэффициентом остекления.

Более подробно результаты экспериментов будут представлены в последующих публикациях.

Литература

1. Шубин И. Л., Спиридонов А. В. «Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения». // «Вестник МГСУ», №3. Т.1. 2011 г.
2. European Commission. The 2020 Climate and Energy Package. — December 12, 2010.
3. Energieeinsparverordnung (EnEV-2009).
4. Федеральный закон №261-ФЗ от 29 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
5. Указ Президента РФ №889 от 4 июня 2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».
6. Постановление Правительства РФ № 18 от 25 января 2011 г. «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».
7. 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. — Москва, 2012 г.
8. Вольфганг Файст «Основные положения по проектированию пассивных домов». — М.: АСВ, 2011 г.
9. Абдурафиков Р. М., Спиридонов А. В. «Как оценивать энергоэффективные окна». // «Энергосбережение», №№7, 8, 2013 г.
10. Беляев В. С., Лобанов В. А., Ахмяров Т. А. «Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла». // «Жилищное строительство», №3, 2011 г.
11. Ахмяров Т. А., Беляев В. С., Спиридонов А. В., Шубин И. Л. «Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла». // «Энергосбережение», №4, 2013 г.
12. Патент РФ 2295622 «Вентилируемое окно». / Ахмяров Т. А.; заявл. 14.03.2005 г., опубл. 20.03.2007 г. Бюл. №8.
13. Дроздов В. А., Савин В. К., Александров Ю. П. «Теплообмен в светопрозрачных ограждающих конструкциях». — М.: «Стройиздат», 1979 г.
14. Хлевчук В. Р., Артыкпаев Е. Т. «Теплотехнические и звукоизоляционные качества ограждения домов повышенной этажности». — М.: «Стройиздат», 1979 г.
15. Ушков Ф. В. «Теплопередача наружных ограждающих конструкций при фильтрации воздуха». — М.: «Стройиздат», 1969 г.
16. Беляев В. С., Хохлова Л. П. «Проектирование энерго-экономичных и энергоэффективных зданий». — М.: «Высшая школа», 1992 г.
17. Умнякова Н. П. «Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией». / «Жилищное строительство», №1–2, 2014 г.
18. Свод правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003).
19. Фокин К.Ф. «Строительная теплофизика ограждающих частей зданий». — М.: АВОК-ПРЕСС, 2006 г.
20. Патент РФ 2447366 «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 г., опубл. 10.04.2012 г. Бюл. №10.
21. Патент РФ 2447367 «Дефлектор ветра для вентиляционных и дымовых труб (варианты)» / Аркадов Ю. К., Батура Н. И., Ахмяров Т. А.; заявл. 10.11.2010 г., опубл. 10.04.2012 г. Бюл. №10.


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад