Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока

Результаты

научных исследований

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.86

Т.А. АХМЯРОВ, инженер (tagir-a@yandex.ru), А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук,

И.Л. ШУБИН, д-р техн. наук, директор

Научно-исследовательский институт строительной физики

Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока

Для достижения норм по теплозащите в непрозрачных наружных ограждениях (стенах и крышах) используется значительный слой утеплителя, что не всегда экономически и энергетически целесообразно. В последние годы все большее внимание, в том числе и в нашей стране, уделяется новой идеологии, которая получила общее название «системы активного энергосбережения» (САЭ), использующей вторичные энергоресурсы, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, а также авторегулирование при изменении условий - как снаружи, так и внутри зданий. Основой предложений, изложенных. в настоящей статье, являются энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции (ЭВОК) с активной рекуперацией выходящего теплового потока, которые могут быть широко использованы для строительства и реконструкции зданий и сооружений с минимальным энергопотреблением. Предлагаемые ограждающие конструкции фактически становятся приточными устройствами системы вентиляции с активной рекуперацией тепла, уходившего ранее в атмосферу через наружные ограждения зданий. Влажностный режим и теплотехническая однородность наружных ограждающих конструкций зданий также улучшаются.

Ключевые слова: энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции, система активного энергосбережения, рекуперация трансмиссионного тепла.

T.A. AKHMYAROV, engineer, A.V. SPIRIDONOV, Candidate of Sciences

Energy efficient ventilated envelopes with active recovery of the heat flow an insulation

For achievement of norms on a energy efficient envelopes (walls and roofs) the considerable layer of a heater is used that in today's conditions is not always economically and energetically effectually. For this reason in recent years the increasing attention including in our country, it is given to new ideology which received the general name «systems of «active» energy saving» (SAE). Generally systems which use secondary energy resources treat SAE, nonconventional and renewables, and also auto-regulation at change of conditions - as outside, and in buildings. Basis of the offers stated in the present article, the energy efficient ventilated envelopes (EEVE) with active recovery of a heat flow which can be widely used for construction and reconstruction of buildings and constructions with the minimum energy consumption are. Offered envelopes actually become stitched devices of system of ventilation with the subsequent active recovery of heat going earlier to the atmosphere through external protections of buildings. The moist mode and heat-technical uniformity of external envelopes of buildings also improve.

Keywords: energy efficient ventilated envelopes, system of active energy saving, recovery of transmission heat.

Системные программы энергосбережения в строительстве появились после энергетического кризиса в середине 1970-х гг. [1]. Через некоторое время был принят первый законодательный документ в этой области - Energy Policy Act 1992 (The Energy Policy Act of 2005 (Pub. L. 109-58), the United States Congress, July 29, 2005), утвержденный в том же году Конгрессом США (последняя редакция этого документа была принята в 2005 г.). В документе была 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 энергетическом законе США (2005 г.) было констатировано, что эта задача успешно выполнена на территории этой страны, несмотря на значительное увеличение объемов строительства.

Стратегическими направлениями реализации концепции этого документа в 1992 г. были обозначены не только совершенствование инженерного оборудования зданий и внедрение в строительство новых технологий и исполь-

зование возобновляемых источников энергии (к сожалению, уже через несколько лет работы в этих направлениях были приостановлены из-за несовершенства технологических решений), имевшихся в то время, но и существенное повышение теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий.

В Российской Федерации в начале 1990-х гг. было принято аналогичное решение: в новой (для того времени) редакции СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника» (1995 г.) основное внимание было уделено повышению теплотехнических характеристик ограждающих конструкций зданий. Если в предыдущей редакции данного нормативного документа минимальное приведенное сопротивление теплопередаче стен для условий Москвы составляло 1 м2оС/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 - более чем в три раза. Несмотря на то что было довольно много оппонентов этого решения, оно было осуществлено. В дальнейшем при разработке актуализированной редакции

^^^^^^^^^^^^^ 102014

Научно-технический и производственный журнал

Л

Results of scientific research

Неподвижный фотоэлектрический слой Солнцезащитный слой

Теплозащитный слой

Слой стекла

Рис. 1. Пассивный дом с термоактивными стенами в г. Шлезвиг (Германия), 2011 г.

СНиП 23-02-2003 - СП 50.13330.2012 Свод правил «Тепловая защита зданий» (2012 г.) еще большее повышение минимально регламентируемых теплотехнических характеристик ограждающих конструкций было ограничено, что также 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 не всегда экономически и энергетически целесообразно [2, 3].

Именно поэтому в последние годы все большее внимание, в том числе и в нашей стране [4], уделяется новой идеологии, которая получила общее название «система активного энергосбережения» (САЭ).

Несмотря на то что системы активного энергосбережения появились не так давно, уже сегодня можно привести примеры зданий, построенных с использованием ряда технологий, входящих в эту идеологию (рис. 1).

Здание задумывалось как полностью соответствующее определению пассивного и является частью программы ШУКО «Концепция «2 градуса». Данная программа активно продвигается как этой фирмой для создания новых энергоэффективных решений, так и Международным энергетическим агентством и Европейским союзом. Считается, что если среднегодовая температура атмосферы повысится еще более, чем на 2 градуса, то на Земле наступят необра-

Рис. 2. Концепция сменных слоев

тимые климатические изменения. Предложенные решения ограждающих конструкций с примененением системы термоактивных слоев - один из вкладов ШУКО в недопущение подобного сценария (рис. 2).

Концепция здания состоит в том, что каждая из стен оборудована четырьмя функциональными слоями. В настоящее время четыре слоя - это максимально возможное их число для данной конструкции. При этом один слой (с установленными фотоэлектрическими панелями) является неподвижным, остальные могут перемещаться, функционально заменяя или дополняя друг друга. Открывание и закрывание слоев происходит автоматически по заданной программе в зависимости от времени суток, погоды; они также могут заменяться и в ручном режиме - по желанию обитателей. Внешний вид системы функциональных термоактивных слоев приведен на рис. 3.

Помимо указанных технологических новинок в здании применена децентрализованная система вентиляции с функцией рекуперации тепла, а также теплохладоакку-муляция с использованием материалов с фазовым переходом (рис. 4).

В системе используется встроенная вентиляция с использованием материалов, которые могут за счет фазового перехода аккумулировать и отдавать тепло или холод. В процессе охлаждения в ночное время материалы с фа-

Рис. 3. Внешний вид функциональных слоев

Рис. 4. Работа системы вентиляции ночью

Результаты

научных исследований

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Ракупс|£)Й [()]) t

Рис. 5. Реализованные проектные предложения в Республике Беларусь

Рекуператор- теплообменник

Рис. 7. Схема энергоэффективной вентилируемой ограждающей конструкции здания с децентрализованной приточно-вытяжной системой вентиляции (с использованием пространства лоджии): а — зимний режим; б — летний режим

зовым переходом охлаждаются до более низкого уровня температуры и восстанавливаются (заряжаются). Днем холодные материалы с переходом фазы забирают энергию у поступающего теплого воздуха. За счет этого воздух охлаждается, а система с использованием материалов с фазовым переходом снова «разряжается».

В здании использована специальная система фотоэлектрических панелей Ргсйо! TF с перфорацией, которые помимо выработки электроэнергии пропускают в помещения естественный свет. Также в помещениях установлена система мониторинга, контролирующая температуру, влажность воздуха, освещенность, содержание СО2 и в соответствии с этим управляющая функциональными слоями. К сожалению, пока не опубликованы данные мониторинга эффективности этого здания. Однако представляется, что это сооружение гораздо ближе к системе активного энергосбережения, чем к классу пассивных зданий. Говорить об оку-

Рис. 6. Многоэтажное здание с остекленными лоджиями

паемости подобных пилотных проектов невозможно - в них используются 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 ХХ в. Они и морально, и физически устарели. Эти здания, которых было построено великое множество (по некоторым оценкам, более 12 млрд м2) во всех климатических регионах страны, являются источником огромных энергетических потерь через ограждающие конструкции, а также за счет неэффективных инженерных систем.

В середине 2000-х гг. в ряде регионов РФ запущена программа по реновации и санации жилых зданий, построенных в 1960-1970-е гг. Основные работы предполагали утепление стен за счет различных вариантов наружного утепления, замену окон и ремонт или замену некоторых коммуникаций. Предполагалось, что за счет этих мероприятий возможно снизить расходы на эксплуатацию жилых помещений на 25-30%. К сожалению, мониторинг ре-домов показал значительно меньший по результатам обследований,

конструированных энергетический эффект проведенных Мосгосэкспертизой и другими заинтересованными организациями, снижение потребления энергии в них не превышало 10%. Это связано как с неудачными схемами реконструкции, качеством работ, так и с неэффективными дешевыми материалами и решениями, использованными при реконструкции.

В то же время имеется многолетний достаточно положительный опыт строительства энергоэффективных зданий и реконструкции существующих с применением некоторых технологий активного энергосбережения в Республике Беларусь [4], где реализовано довольно много интересных проектов (рис. 5), а с 2014 г. началось строительство подобных зданий и целых районов.

Исследования, проведенные в НИИ строительной физики в 2011-2013 гг. [5-7], позволили авторам разработать

Научно-технический и производственный журнал

Л

Results of scientific research

Рис. 8. Навесная фасадная система с вентилируемым воздушным зазором НФС с ВВЗ

предложения по использованию технологии и элементов САЭ в ограждающих конструкциях, которые позволят значительно повысить энергетическую эффективность существующих зданиИ в процессе проведения их тепловоИ санации при реконструкции и ремонте.

ОсновоИ предложении авторов являются энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции (ЭВОК) с активной рекуперацией выходящего теплового потока, которые могут быть широко использованы для строительства, капитального ремонта и реконструкции зданиИ и сооружений с минимальным энергопотреблением.

Предлагаемые ограждающие конструкции фактически становятся приточными устройствами системы вентиляции с последующей активной рекуперацией тепла, уходившего ранее в атмосферу через наружные ограждения зданий. Влажностный режим и теплотехническая однородность наружных ограждающих конструкций зданий улучшаются.

Одно из наиболее актуальных направлений развития энергосбережения в строительной отрасли - создание ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты за счет активной рекуперации теплового потока. Производство таких изделий должно составлять основу

строительной индустрии, а их применение позволит ускорить возведение объектов, снизить стоимость, повысить качество и долговечность зданий, а также комфортность микроклимата помещений. Широкая номенклатура конструкций, выпускаемых отечественными предприятиями крупнопанельного домостроения, дает возможность проводить многовариантное проектирование, использовать в массовом строительстве конструкции с очень высокими потребительскими свойствами - надежностью, долговечностью, комфортностью, экологичностью, эстетичностью. Это относится и к массовому малоэтажному жилищному строительству, которое очень активно развивается в настоящее время в российских городах и других поселениях.

Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции, утилизируя уходящее тепло, возвращают его в помещение, обеспечивая постоянный комфортный воздухообмен, удобны в эксплуатации и являются перспективными для обеспечения энергосбережения с использованием вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Некоторые варианты разработанных авторами конструкций в рамках исследований, выполненных в НИИСФ в 2011-2014 гг., приведены в [6].

Одним из наиболее распространенных вариантов реконструкции ограждающих конструкций существующих зданий является использование навесных фасадных систем с воздушным вентилируемым зазором (НФС с ВВЗ). Именно такой вариант является удобным для преобразования в ЭВОК.

В частности, одной из проблемных зон в многоэтажных зданиях являются остекленные лоджии (рис. 6). На рис. 7 предложен вариант модернизации этих элементов здания с применением ЭВОК, которая обеспечивает (помимо значительного снижения теплопотерь через остекленные элементы лоджий) их использование в качестве элемента вентиляционной системы помещений.

Большинство производителей навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором имеют различные варианты использования наружных облицовочных фасадных панелей (фиброцементные и асбестоцементные плиты с декоративным покрытием, алюминиевые панели,

Наружный теплоотражающий экран Внутренний теплоотражающий экран

Вертикальная направляющая

Распределительный канал потока воздуха

Кронштейн

Минераловатный утеплитель

Канал сбора воздуха

Декоративная облицовка

Кронштейны каркаса фасадной системы NORDEX

Вертикальные направляющие каркаса фасадной системы NORDEX

Горизонтальные профили фасадной системы NORDEX

Декоративный экран (облицовка) Условно-плиты керамогранита 600x1200 мм или 300x600 мм

Ц Ж/б плита перекрытия Канал сбора воздуха

Наружная стена Активный поток воздуха Теплоотражающий экран Внешний

воздухонепроницаемый теплоотражающий экран

Распределительный канал потока воздуха

Рис. 9. Навесная фасадная система NORDEX с активным энергосбережением (вариант крепления в междуэтажные перекрытия): а — вертикальный разрез по плите перекрытия; б — общий вид с двумя теплоотражающими экранами

а

Результаты

научных исследований

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

многие другие материалы) достаточно большого размера с небольшим весом и внутренним теплоотражающим слоем из легированной алюминиевой фольги.

Совместно с фирмами - производителями НФС с ВВЗ авторами разрабатываются варианты ЭВОК для использования в новом строительстве и реконструкции зданий различного назначения (рис. 8, 9). В настоящее время институт совместно с некоторыми компаниями-производителями готовит серию лабораторных испытаний эффективности новых конструкций на универсальном стенде для аэродинамических и теплотехнических испытаний сегментов вентилируемых ограждающих конструкций зданий, который значительно упрощает юстировку параметров воздушного потока в непрозрачных конструкциях, а также последующие теплотехнические испытания.

В первую очередь подходящими проектами для внедрения энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций, по мнению авторов, являются детсады, школы, поликлиники, культурно-массовые и общественные здания, где, помимо повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций, необходимо обеспечить комфортное интенсивное вентилирование помещений во время постоянного пребывания людей.

Список литературы

1. Шубин И.Л., Спиридонов А.В. Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения // Вестник МГСУ. № 3. 2011. Т. 1. С. 4-14.

2. Шубин И.Л., Спиридонов А.В. Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли // Энергосбережение. № 1. 2013. С. 15-21.

3. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Принципы проектирования и оценки наружных ограждающих конструкций с использованием современных технологий «активного» энергосбережения и рекуперации теплового потока // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 8-13.

4. Данилевский Л.Н. Принципы проектирования и инженерное оборудование энергоэффективных жилых зданий. Минск: БизнесСофсет, 2011. 374 с.

5. Умнякова Н.П. Возведение энергоэффективных зданий в целях уменьшения негативного воздействия на окружающую среду // Вестник МГСУ. 2011. № 3. С. 459-464.

6. Ахмяров Т.А., Беляев В.С., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла // Энергосбережение. 2013. № 4. С. 36-46.

7. Беляев В.С., Лобанов В.А., Ахмяров Т.А. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла // Жилищное строительство. 2011. № 3. С. 73-77.

Испытания, проведенные в 2013 г. 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, что соответственно открывает новые перспективы для строительства и реконструкции зданий (сооружений, теплиц) с большим коэффициентом остекления.

В настоящее время НИИСФ проводит многочисленные работы по подготовке разработанных энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций к опытному внедрению на различных объектах Москвы, Московской области, Республики Башкортостан.

References

1. Shubin I.L., Spiridonov A.V. Legislation for Energy Conservation in USA, Europe and Russia. Ways for Decision. Vestnik MGSU. 2011. No. 3, v. 1, pp. 4-14. (In Russian).

2. Shubin I.L., Spiridonov A.V. Problems in energy conservation in Russian construction industry. Energosberezhenie. No. 1. 2013, pp. 15-21. (In Russian).

3. Akhmyarov T.A., Spiridonov A.V., Choubin I.L. The principles of design and an assessment of the external protecting designs with use of modern technologies of «active» energy saving and recovery of a thermal stream. Zhilishnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, рр. 8-13. (In Russian).

4. Danilevsky L.N. Printsipy proektirovaniya I inzhenernoe oborudovanie energoeffektivnyh zhilyk zdanii [Principles of design and engineering equipment of energy efficient residential buildings]. Minsk: BusinessSofset. 2011. 374 p.

5. Umniakova N.P. Constuction of Energy effective buildings for reduction of negative influence on the environment. Vestnik MGSU. 2011. No. 3, pp. 459-464. (In Russian).

6. Akhmyarov T.A., Belyaev V.S., Spiridonov A.V., Shubin I.L. System of active energy saving with heat recovery. Energosberezhenie. 2013. No. 4, pp. 36-46. (In Russian).

7. Belyaev V. S., VA Mullets. Akhmyarov T.A. The decentralized forced-air and exhaust system of ventilation with heat recovery. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 3, рр. 73-77. (In Russian).

ПЛППМЛ1/А и О О Л с I/ т о п IJIJIJ 1.П О С О ГI 11.П \i/\/nu л п л

ПОДПИСКА n п о и с n i г и n п з ги о с г и и ги ЖУРНАЛА

http://ejournal.rifsm.ru/