архив» все записи»

Автор: Т. А. Ахмяров, А. В. Спиридонов, И. Л. Шубин
Дата: 19.07.2014
«СтройПРОФИ» № 21
Рубрика: Энергосбережение


Системы с активной рекуперацией теплового потока в ограждающих конструкциях зданий

В прошлом номере мы начали цикл статей, посвященных новым технологиям повышения энергосбережения в зданиях. Настоящая статья продолжает этот цикл. Одно из инновационных направлений развития систем активного энергосбережения в строительной отрасли — создание ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты.
Их применение позволяет ускорить возведение объектов, снизить стоимость, повысить качество и долговечность зданий.

Системные программы в области энергосбережения в строительстве появились после энергетического кризиса в середине 70-х годов прошлого века [1]. Через некоторое время был принят первый законодательный документ в этой области — Energy Policy Act 1992, утвержденный в том же году Конгрессом США (последняя редакция принята в 2005 г. [2]). В этом документе сформулирована доктрина о том, что потребление энергоресурсов на теплоснабжение и эксплуатацию зданий должно оставаться на существующем в тот период уровне при возрастающем объеме строительства. В последнем по времени энергетическом законе США (2005 г.) [2] было констатировано, что эта задача успешно выполнена на территории страны, несмотря на значительное увеличение объемов строительства.

Стратегическими направлениями в реализации концепции этого документа в 1992 г. были обозначены не только совершенствование инженерного оборудования зданий, внедрение в строительство новых технологий и использование возобновляемых источников энергии (к сожалению, уже через несколько лет работы в этих направлениях были при-остановлены из-за несовершенства технологических решений того времени), но и существенное повышение теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий.
В Российской Федерации в начале 90-х годов было принято аналогичное решение — в новой (для того времени) редакции СНиП П-3-79* (1995 г.) «Строительная теплотехника» основное внимание уделено повышению теплотехнических характеристик ограждающих конструкций зданий. Если в предыдущей редакции данного нормативного документа минимальное приведенное сопротивление теплопередаче стен для условий Москвы составляло 1,0 м2∙°С/Вт, то согласно первому этапу изменений оно должно было увеличиться до 1,9 м2∙°С/Вт, а на втором этапе — до 3,13 м2∙°С/Вт, т. е. более чем втрое. Несмотря на то, что существовало довольно много оппонентов этого решения, оно было реализовано. В дальнейшем при разработке актуализированной редакции СНиП 23-02-2003 (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», 2012 г.) еще большее повышение минимально регламентируемых теплотехнических характеристик ограждающих конструкций было ограничено, что, к слову, тоже вызывает бурную полемику до сих пор.

В настоящее время для достижения норм по теплозащите в непрозрачных наружных ограждениях (стенах и крышах) используется значительный слой утеплителя, что в сегодняшних условиях не всегда экономически и энергетически целесообразно [3]. Именно поэтому в последние годы все большее внимание, в том числе и в нашей стране [4], уделяется новой идеологии, которая получила общее название «системы активного энергосбережения» (САЭ). В общем случае к ним относятся системы, которые используют вторичные энергоресурсы, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, а также авторегулирование при изменении условий, как снаружи, так и внутри зданий.

Несмотря на то, что системы активного энергосбережения появились не так давно, уже сегодня можно привести примеры зданий, построенных с использованием ряда технологий, поддерживающих эту идеологию. Одно из интересных зданий, возведенных в конце 2011 г. с использованием системы активного энергосбережения, построено в городе Шлезвиг в Германии, на границе с Данией (фото 1).

Пассивный дом с термоактивными стенами в Шлезвиге (Германия), 2011 г.

Фото 1. Пассивный дом с термоактивными стенами в Шлезвиге (Германия), 2011 г.

Это здание задумывалось как полностью соответствующее понятию «пассивный дом». Кроме того, оно является частью программы «Концепция «2 градуса», которая активно продвигается для создания новых энергоэффективных решений Международным энергетическим агентством и Европейским союзом. Суть в том, что эксперты полагают, что если среднегодовая температура атмосферы повысится еще на 2 градуса, то на Земле наступят необратимые климатические изменения. Предложенные здесь решения ограждающих конструкций — один из вкладов в недопущение подобного сценария.

В здании применена система термоактивных слоев, схема которой приведена на рисунке 1.

Концепция сменных слоев

Рис. 1. Концепция сменных слоев

Концепция здания состоит в том, что каждая из стен оборудована четырьмя функциональными слоями. На сегодняшний день четыре слоя — это максимально возможное число. Причем один слой (с установленными фотоэлектрическими панелями) является неподвижным, а остальные могут перемещаться, функционально заменяя или дополняя друг друга. Открытие и закрытие слоев происходит автоматически по заданной программе — в зависимости от времени суток, погоды; также они могут заменяться и в ручном режиме — по желанию обитателей.

Внешний вид системы функциональных термоактивных слоев приведен на фото 2.

Внешний вид функциональных слоев (А) и неподвижного фотоэлектрического слоя (Б)

Фото 2. Внешний вид функциональных слоев (А)
и неподвижного фотоэлектрического слоя (Б)

Помимо указанных технологических новинок в здании применена децентрализованная система вентиляции с функцией рекуперации тепла, а также теплохладоаккумуляция с использованием материалов с фазовым переходом (рис. 2).

Работа системы вентиляции ночью (А) и днем (Б)

Рис. 2. Работа системы вентиляции ночью (А) и днем (Б)

В системе используется встроенная вентиляция с применением материалов, которые могут за счет фазового перехода аккумулировать и отдавать тепло или холод. В ночное время они охлаждаются до более низкого уровня температур и восстанавливаются. Днем холодные материалы с переходом фазы забирают энергию у поступающего теплого воздуха. За счет этого воздух охлаждается, а система снова «разряжается».

В здании использована специальная система фотоэлектрических панелей ProSol TF с перфорацией, которые помимо выработки электроэнергии пропускают внутрь естественный свет. Также в помещениях установлена система мониторинга, которая контролирует температуру, влажность воздуха, освещенность, содержание СО2 и в соответствии с этим управляет функциональными слоями.
К сожалению, пока не опубликованы данные мониторинга эффективности этого здания. Однако представляется, что это сооружение гораздо ближе к системе активного энерго-сбережения, чем к классу пассивных зданий.
Естественно, говорить об окупаемости подобных пилотных проектов невозможно — в них применяются абсолютно новые концепции, технологии и материалы, которые при массовом производстве и использовании становятся значительно дешевле.

При реализации Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» в области строительства возникает основная проблема — снижение теплопотерь из помещений зданий, построенных в нашей стране в прошлом веке: они и морально, и физически устарели. Эти здания, которых было построено великое множество (по некоторым оценкам, более 12 миллиардов квадратных метров) во всех климатических зонах страны, являются источником огромных энергетических потерь через ограждающие конструкции, а также из-за неэффективности технологически устаревших инженерных систем.

В середине 2000-х годов в ряде регионов была запущена программа по реновации и санации жилых зданий, построенных в 60-е — 70-е годы прошлого века. Основные работы предполагали наружное утепление стен по различным вариантам, замену окон и ремонт или замену некоторых коммуникаций. Рассчитывали, что эти мероприятия позволят снизить расходы на эксплуатацию жилых помещений на 25–30%. К сожалению, мониторинг реконструированных домов показал значительно меньший энергетический эффект: по результатам обследований, проведенных Мосгос-экспертизой и другими заинтересованными организациями, снижение потребления энергии в них не превышало 10%. Это связано как с неудачными схемами реконструкции и качеством работ, так и с дешевыми неэффективными материалами и решениями, использованными при реконструкции. В то же время в Республике Беларусь имеется многолетний достаточно положительный опыт строительства энергоэффективных зданий и реконструкции существующих с применением некоторых технологий активного энергосбережения [5, 6]. В последние годы в этой стране реализовано довольно много интересных проектов (см. фото 3), а с 2014 года (на основе наработанного опыта) началось массовое строительство подобных зданий и целых районов.

Реализованные проектные предложения в Беларуси

Фото 3. Реализованные проектные предложения в Беларуси

Исследования, проведенные в 2011–2013 гг. в НИИСФ [7, 8], дали возможность разработать предложения по использованию технологий и элементов САЭ в ограждающих конструкциях, которые позволят значительно повысить энергетическую эффективность существующих зданий в процессе проведения их тепловой санации при реконструкции и ремонте. Основой наших предложений являются энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции (ЭВОК) с активной рекуперацией потока тепла, которые могут быть широко использованы для строительства и реконструкции зданий и сооружений с минимальным энергопотреблением. Предлагаемые конструкции фактически становятся приточными устройствами системы вентиляции с последующей активной рекуперацией тепла, уходившего ранее в атмосферу через наружные ограждения зданий и с вентиляционными выбросами. Влажностный режим и теплотехническая однородность данных конструкций зданий также улучшаются.

Одно из наиболее актуальных направлений развития энергосбережения в строительной отрасли — создание ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты. Производство таких изделий должно составлять основу строительной индустрии — их применение позволит ускорить возведение объектов, снизить стоимость, повысить качество и долговечность зданий.

Широкая номенклатура конструкций, выпускаемых отечественными предприятиями крупнопанельного домостроения, дает возможность проводить многовариантное проектирование, использовать в массовом строительстве конструкции с очень высокими потребительскими свойствами, такими, как надежность, долговечность, экологичность и эстетичность. То же относится и к массовому малоэтажному жилищному строительству, которое в настоящее время активно развивается в России. Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции, утилизируя уходящее тепло, возвращают его в помещение, обеспечивая комфортный постоянный воздухообмен. Они удобны в эксплуатации и являются перспективными в сфере обеспечения энергосбережения с использованием вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.
Некоторые варианты разработанных нами конструкций в рамках исследований, выполненных в НИИСФ в 2011–2012 гг., описаны в публикациях [7]. Один из наиболее распространенных вариантов реконструкции ограждающих конструкций существующих зданий — использование навесных фасадных систем с воздушным вентилируемым зазором (НФС с ВВЗ). Именно такой вариант является необычайно удобным для переработки в ЭВОК. В частности, одной из проблемных зон в многоэтажных зданиях являются остекленные лоджии (фото 4). Вариант модернизации этих элементов здания с применением ЭВОК представлен на рисунке 3: помимо значительного снижения теплопотерь через остекленные элементы лоджий, они использованиы в качестве элемента вентиляционной системы помещений.

Многоэтажное здание с остекленными лоджиями

Фото 4. Многоэтажное здание с остекленными лоджиями

Многие производители навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором используют различные варианты примнения наружных облицовочных фасадных панелей (фиброцементные и асбестоцементные плиты с декоративным покрытием, алюминиевые панели, и т. п.) достаточно большого размера, с небольшим весом; внутренний теплоотражающий слой выполнен из легированной алюминиевой фольги.

Схема энергоэффективной вентилируемой ограждающей конструкции здания с децентрализованной приточно-вытяжной системой вентиляции

Рис. 3. Схема энергоэффективной вентилируемой ограждающей
конструкции здания с децентрализованной приточно-вытяжной
системой вентиляции (с использованием пространства лоджии):
а) зимний режим, б) летний режим

Навесная фасадная система с вентилируемым воздушным зазором НФС с ВВЗ (вариант крепления в межэтажные перекрытия)

Рис. 4. Навесная фасадная система с вентилируемым воздушным
зазором НФС с ВВЗ (вариант крепления в межэтажные перекрытия)

Совместно с некоторыми фирмами-производителями НФС с ВВЗ мы разрабатываем варианты ЭВОК для нового строительства и реконструкции зданий различного назначения (рис. 4 и 5). В настоящее время институт вместе с рядом компаний готовит серию лабораторных испытаний эффективности новых конструкций. Для проведения аэродинамических и теплотехнических испытаний сегментов вентилируемых ограждающих конструкций зданий создан универсальный стенд, который значительно упрощает юстировку параметров воздушного потока в непрозрачных конструкциях, а также последующие теплотехнические испытания.

Навесная фасадная система с активным энергосбережением

Рис. 5. Навесная фасадная система с активным энергосбережением (вариант крепления в межэтажные перекрытия:
а) вертикальный разрез по плите перекрытия,
б) общий вид с двумя теплоотражающими экранами

В первую очередь подходящими проектами для внедрения энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций, по нашему мнению, являются детские сады, школы, поликлиники, культурно-массовые и общественные здания, где помимо повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций необходимо обеспечить комфортное интенсивное вентилирование помещений с учетом большого числа присутствующих людей.

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 также 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.

Полученные результаты позволяют 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.
Более подробно результаты экспериментов будут представлены в следующих публикациях.

В настоящее время НИИСФ проводит многочисленные мероприятия по подготовке разработанных энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций к опытному внедрению на различных объектах Москвы и Московской области, а также в Республике Башкортостан.

Институт готов к сотрудничеству с региональными инвес-торами, проектными организациями и индустриальными партнерами по внедрению энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций с активной рекуперацией теплового потока для строительства и реконструкции зданий и сооружений (в том числе и малоэтажных) с минимальным энергопотреблением.

Литература

1. Шубин И. Л., Спиридонов А. В. «Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения». // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», т. 1, №3, 2011 г.
2. The Energy Policy Act of 2005 (Pub. L. 109–58), the United States Congress, July 29, 2005.
3. Шубин И. Л., Спиридонов А. В. «Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли». // «Энергосбережение», №1, 2013 г.
4. Протокол №1/2014 расширенного заседания Объединенного научно-технического совета по вопросам градостроительной политики и строительства города Москвы (совместно с Межведомственным экспертным советом по энергосбережению в строительстве на территории города Москвы) по теме: «Градостроительная политика города Москвы в области повышения энергетической эффективности городского строительства». — Москва, 21 февраля 2014 г.
5. Данилевский Л. Н. «Принципы проектирования и инженерное оборудование энергоэффективных жилых зданий». — Минск: «БизнесСофсет», 2011 г.
6. Данилевский Л. Н. «Опыт строительства энергоэффективных зданий в Республике Беларусь. Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House». Материалы 7-й конференции по пассивным домам и зданиям с низким энергопотреблением, 11–12 апреля 2012 г. — Москва, 2012 г.
7. Ахмяров Т. А., Беляев В. С., Спиридонов А. В., Шубин И. Л. «Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла». // «Энергосбережение», №4, 2013 г.
8. Ахмяров Т. А., Спиридонов А. В., Шубин И. Л. «Новые принципы проектирования и оценки наружных ограждающих конструкций с использованием рекуперации тепла и других технологий «активного» энергосбережения». // «Жилищное строительство» (в печати).


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


«« назад