Наружные ограждения с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепла

Научно-технический и производственный журнал

Тепловая защита зданий

УДК 692.232.45

В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий

Наружные ограждения с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепла

Представлены технические решения и исследования в климатической камере вентилируемых окон при двухмерной фильтрации воздуха с эффектом рекуперации как трансмиссионного, так и вентиляционного тепла. Разработаны технические решения вентилируемых окон НОРТ-2 с двойным движением воздуха, позволяющие экономить не только трансмиссионное и вентиляционное тепло, но и обеспечить необходимый приток воздуха в помещение.

Ключевые слова: трансмиссионное тепло, вентиляционное тепло, рекуперация, теплоемкость, плотность воздуха.

В предыдущих статьях [1, 2] писалось о тепловой эффективности наружных вентилируемых ограждений с рекуперацией трансмиссионного тепла (НОРТ-1), о возможностях применения их для вентиляции помещений, о методах их расчетов [3] (рис. 1).

Отмечены особенности наружных ограждающих конструкций с вентиляционными устройствами с однонаправленным одинарным движением воздуха.

Принцип устройства стен (НОРТ-1) - рекуперация (возвращение) трансмиссионного теплового потока движущимся воздухом в помещение (рис. 1). Наружный воздух поступает в вентилируемую прослойку через приточные отверстия внизу наружного защитного слоя, поднимается вверх по прослойке и входит в помещение через приточные отверстия вверху внутреннего слоя.

Поскольку теплопотери через окна значительно выше, чем через стены, актуально применение аналогичных решений, основанных на вышеупомянутом эффекте рекуперации теплового потока (рис. 2), для окон.

Представленный на рис. 2 оконный блок представляет собой двухстворчатое окно раздельной конструкции, состоящее из большой (широкой) 1 и узкой 2 створки из внутреннего и наружного светопрозрачных слоев и воздушной вентилируемой прослойки 3 между ними.

Широкая створка имеет двойное остекление (стеклопа-кет) во внутреннем переплете и листовое стекло в наружном. Широкая створка имеет притворы наружной створки без уплотняющих прокладок. Узкая створка имеет уплотняющие воздухонепроницаемые прокладки во всех притворах как внутреннего, так и наружного переплета. Внутренняя часть широкой створки имеет двойное остекление в виде однокамерного стеклопакета и притворы с уплотняющими воздухонепроницаемыми прокладками.

Широкая и узкая створки разделены импостом 4 с отверстиями 5 в его нижней половине, сообщающими широкую и узкую створки.

Узкая створка имеет остекление в виде однокамерных стеклопакетов во внутреннем и наружном переплетах.

Узкая створка является разрезной по высоте, имеет во внутреннем переплете форточку, ширина открывания кото-

V-

9

У

У

Q

6

4

Рис. 1. Принципиальная конструкция эффективной наружной стены с организованным воздухообменом: 1 — основание стены; 2 — утеплитель (пенобетон); 3 — вентилируемая прослойка; 4 — экран; 5 — воздухозаборная щель; 6 — движение воздуха; 7 — приточное отверстие; 8 — регулируемый клапан; 9 — воздухо-отводящая щель; 10 — междуэтажное перекрытие

12'2013

39

Тепловая защита зданий

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

10

V

А\

О Ю 0 А к У

1

I 150 [

/ 1 1 )

1 0

12

Воздух

11

А-А

6

Холодный воздух

4

- д

11 V I / 1 13

12

10

11

14

12

Узел К

13

16

Холодный воздух

Воздух

Рис. 2. Оконный блок с рекуперацией трансмиссионного теплового потока: 1 — широкая створка; 2 — узкая створка; 3 — вентилируемая прослойка; 4 — отверстия; 5 — импост; 6 — теплоотража-ющий экран или стекло с низкоэмиссионным селективным покрытием; 7, 10 — приточные отверстия; 8 — уплотняющие прокладки; 9 — наружная форточка; 11 — коробка; 12 — внутренняя форточка; 13 — воздушная вентилируемая прослойка; 14 — вытяжная щель; 15 — выходное отверстие; 16 — слив конденсата

5

Рис. 3. Оконный блок с остекленной узкой створкой с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепловых потоков: 1 — широкая створка; 2 — узкая створка; 3 — вентилируемая прослойка; 4 — отверстия; 5 — импост; 6 — теплоотражающий экран или стекло с низкоэмиссионным селективным покрытием; 7, 10 — приточные отверстия; 8 — уплотняющие прокладки; 9 — наружная форточка; 11 — коробка; 12 — внутренняя форточка; 13 — воздушная вентилируемая прослойка; 14 — вытяжная щель; 15 — выходное отверстие; 16 — слив конденсата

7

2

7

2

8

рой регулируется. В наружном слое в верхней части узкой створки может располагаться клапан (форточка), которая в зимнее время закрыта.

Наружное остекление имеет с внутренней стороны теп-лоотражающее покрытие или теплоотражающий экран 6.

Наружный воздух поступает внутрь конструкции оконного блока через неуплотненные притворы наружной большой (широкой) створки и через отверстия в коробке или раме 7 в широкой створке окна.

Если внести некоторые конструктивные дополнения, т. е. модернизировать представленный на рис. 2 оконный блок, то можно добиться экономии не только трасмиссион-ного, но и вентиляционного тепла.

Принцип работы таких стен с двойным движением воздуха (НОРТ-2) (рис. 3, 4) следующий: нагретый воздух из помещения поступает в прослойку конструкции, соединенную с атмосферой; в это же время наружный воздух поступает в помещение по смежной прослойке, отделенной от первой

перегородкой с высоким коэффициентом теплопередачи. При этом тепло уходящего воздуха передается приточному.

НОРТ-2-п характерны тем, что воздух в них может проходить через вентилируемые прослойки как в одном, так и в разных направлениях.

Наиболее проста конструкция, имеющая только два канала - приточный и вытяжной, без дополнительных перегородок. При этом движение воздушных потоков может быть как попутным, так и встречным.

Модернизация рекуператора трансмиссионного тепла в рекуператор также и вентиляционного тепла заключается в устройстве в воздушной прослойке 5 перегородки с высокой теплопроводностью и выполнением в верхней части узкой створки (и в коробке) и в нижней части (в раме) узкой створки зазоров (щелей) для прохода воздуха из помещения (рис. 3, 4).

Рекуперация трансмиссионного тепла происходит при движении вверх наружного воздуха по воздушной прослой-

40

122013

Научно-технический и производственный журнал

Тепловая защита зданий

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

±±

_Сечение А-А по наружной

прослойке

____Сечение Б-Б по внутренней

прослойке

А

Б А-А

Б-Б

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

© 1

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 5. Распределение температуры при расчетных значениях tн=-32оС и tв=+20оС на поверхностях стекол (1, 3, 4, 6) и в прослойках (1' и 4') при инфильтрации АР=-10Па. Условные обозначения см. на рис. 4

-32 -28-24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

А-А

Б-Б

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 4. Распределение осредненной температуры, приведенной к расчетным значениям tн=-32оС и tв=+20оС, на поверхностях окон при АР=0; 1—6 — поверхности стекла

ке 3 в помещение вентиляционного тепла - при движении внутреннего воздуха по наружной прослойке 7, образованной перегородкой 9, наружу (рис. 3, 4).

Причем система по наружному воздуху работает при открытой форточке 12, а система по внутреннему воздуху работает при открытой щели 14 над узкой створкой.

Приток наружного воздуха в помещение осуществляется через отверстия 10 в верхней части коробки 11, раме, большой (широкой) створки 1, через перфорацию в импосте 5 и через проем открытой внутренней форточки 12 узкой створки 2.

Выход воздуха из помещения осуществляется через щель 14 в верхней части коробки узкой створки 2, далее вдоль окна по воздушной прослойке 13 через зазор (щель) в нижней части узкой створки 15.

Предлагаемая система может работать как в режиме экономии трансмиссионного тепла, так и в режиме экономии вентиляционного тепла, и в режиме экономии обоих видов тепла. В последнем случае осуществляется экономия как трансмиссионного, так и вентиляционного тепла.

Движение указанных потоков воздуха может осуществляться как естественным путем, так и с помощью вентиляторов.

~т"Т,,ГТ--Г.....Г"г

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 6. Распределение средней температуры, приведенной к расчетным значениям tн=-32оС и tв=+20оС, на поверхностях стекол при эксфильтрации в обеих воздушных прослойках А и Б, АР=30 Па. Условные обозначения см. на рис. 4

Б

А

122013

41

Тепловая защита зданий

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4

0 4 8 12 16 20

*—1—4-

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 7. Распределение температуры при расчетных значениях tн=-32оС и tв=+20оС на поверхностях стекол (1, 3, 4, 6) и в прослойках (1' и 4') при эксфильтрации через наружную прослойку (А) и инфильтрации через внутреннюю прослойку (Б), ДРЛ=6Па, ДРБ=10 Па. Условные обозначения см. на рис. 4

А-А

Б-Б

-32 -28 -24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

0

© 0

-32-28-24-20-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 8. Распределение температуры при расчетных значениях tн=-32оС и tв=+20оС на поверхностях стекол (1, 3, 4, 6) и в прослойках (1' и 4') при эксфильтрации через наружную прослойку (А) и инфильтрации через внутреннюю прослойку (Б), ДРАБ=24 Па, №=16,5 м3/ч

Рис. 9. Наружное ограждение, совмещенное с системой вентиляции: 1, 2 — наружный и внутренний слои; 3, 4 — наружный и внутренний утеплители; 5 — воздушная прослойка; 6 — атмосфера; 7 — приточное отверстие; 8 — помещение; 9 — приточная щель; 10, 11 — полупанели; 12 — нагреватель; 13 — экран; 14 — вентилятор

В нижней части узкой створки имеются отверстия 16 для выпуска возможного конденсата.

Система позволяет сэкономить как трансмиссионное, так и вентиляционное тепло (более 50% тепла, теряемого зданием на отопление и вентиляцию).

Исследования таких окон, проведенные в климатических камерах ЦНИИЭП жилища, позволили показать распределение температур по сечению окна:

- без его вентиляции при ДР=0 Па (рис. 4);

- с вентиляцией инфильтрацией по обеим воздушным прослойкам при ДР=10 Па (рис. 5);

- при эксфильтрации по обеим воздушным прослойкам ДР=30 Па (рис. 6).

На рис. 6 видно резкое повышение температуры поверхности стекол (~ на 8оС) по сравнению с ДР=0 Па (рис. 3) и отсутствием принудительной вентиляции окон. Температура внутренней поверхности окна достигала 16оС (рис. 6).

3

2

А

42

12'2013

Научно-технический и производственный журнал

Тепловая защита зданий

Рис. 10. Распределение температур, приведенных к tв=+18оС и tн=-26оС, на внутренней поверхности ограждения под экраном (кривые 2' ' , 3' ' ), на экране 2' ' ' и в толще воздушной прослойки (кривые 1', 2', 3' ) при наличии продольной инфильтрации воздуха через прослойку в легкой навесной вентилируемой глухой панели ПВА-04 при условиях режимов испытаний (номера кривых соответствуют номеру режима): режим 1 — клапаны закрыты, расход воздуха через канал W = 0; режим 2 — клапаны открыты, расход воздуха через канал = 21 м3/(ч.м);режим 3 — то же, расход воздуха через канал W= 22м/(ч.м), разность давлений АР = 2Па (0,2мм. вод. ст., V = 2,5 м/с). Условные обозначения см. на рис. 9

Как видно на рис. 7, 8, воздух, движущийся по наружной прослойке (эксфильтрация) в количестве 16 м3/ч, остывает с 20 до -27оС, т. е. на 47оС, а движущийся по внутренней прослойке (инфильтрация) нагревается с 0 до 18оС, т. е. экономия тепла составит 156 Вт/м2.

Из анализа рисунка следует, что при двойном попутном движении воздуха в количестве 16 м3/ч при ?ех,=-32°С и ^„,=20оС при температуре входящего в наружную прослойку воздуха ^м=3оС, а во внутреннюю - ^,>=-20^ и коэффициентах теплопередачи Кв=8,25, Кср=11 и Кн=10 Вт/(м2-оС) температура на расстоянии 1 м от входа составляет во внутренней прослойке 8оС (от 0оС - нагрев), по наружной - 0оС (от 18оС - охлаждение).

Еще более интенсивная теплопередача отмечается в зоне входных и выходных отверстий: ^=0^ (нагрев от 0оС до 16оС) и ^2)=-27,5оС (охлаждение от +18оС).

На рис. 9 изображено наружное ограждение, совмещенное с системой вентиляции.

Наружное ограждение состоит из наружного 1 и внутреннего 2 воздухонепроницаемых слоев с расположенными между ними наружными 3 и внутренними 4 слоями утеплителя, между которыми находится воздушная прослойка, соединяющаяся с атмосферой 6 через отверстия 7 и с помещением 8 через отверстия 9. Отверстия 7 расположены в наружном слое 1, а отверстия 9 - во внутреннем слое 2.

Наружный воздухонепроницаемый слой 1 с утеплителем 3 образуют одну наружную полупанель 10, внутренний

воздухонепроницаемый слой 2 с утеплителем 4 - внутреннюю полупанель 11. Выполнение ограждения из двух полупанелей позволяет исключить трудозатраты по выполнению вентилируемых каналов. Полупанели 10 и 11 ограничены в верхней и нижней частях Г-образными профилями. Отверстия 7 выполнены в верхней части ограждения, образованы Z-образными профилями 15 и снабжены экраном 13 с высоким коэффициентом теплоотдачи. Отверстия 9 выполнены в нижней части ограждения и снабжены экраном 13, сопряженным с нагревателем или охладителем. Внутренняя полупанель 11 граничит с зоной интенсивного движения вытяжного воздуха, соединенной с вытяжным вентилятором.

В летнее время регистры отопления могут быть заполнены холодной водой, вследствие чего обеспечивается охлаждение помещения, а нагретая вода может быть использована для производственных нужд. Предлагаемое ограждение обеспечивает возвращение всего тепла, идущего на нагрев приточного воздуха в помещение.

На рис. 10 дано распределение температуры на поверхности и в толще системы вентиляции, совмещенной с наружными ограждающими конструкциями с вентилируемой прослойкой.

Как видно на рис. 10, вентилирование прослойки в наружной стеновой панели за счет рекуперации уходящего теплового потока уменьшается при расходе воздуха 22 м3/ч на 412 Вт:

12'2013

43

Тепловая защита зданий

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

ДQвых* = 0,28 • с • Дt • М • у, + (тпсрр - 1«,,) • а; ДQвых = [0,28 • 22 • (18 + 26) • 1,3 + (-3 + 26) • 23] -- [0,28 • 22 • (18 + 26) • 1,3 + (-22 + 26) • 23] = 412 Вт/м2,

где с - удельная теплоемкость, кДж/кг°С; Д=^п-ех, - температурный перепад между внутренней и наружной температурами, оС; тпр - средняя температура в прослойке, оС; а - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м2оС); М - расход воздуха, м3/ч; у, - плотность воздуха, кг/м3.

Заключение

Выполненные исследования и расчеты показали тепловую эффективность предлагаемых решений, подтвержденных расчетным путем и экспериментально.

Выявлена зависимость удельного расхода тепла от расхода воздуха через воздушную прослойку окон с рекуперацией тепла.

Определены более энергоэффективные направления воздушных потоков при двойном движении воздуха НОРТ-2, а также оптимальное расположение вентиляционных клапанов (форточек) для поступления воздуха в помещение:

- при равных значениях коэффициентов теплопередачи и расхода воздуха при попутном движении воздух в наружной прослойке нагревается на 9,6оС, а во внутренней охлаждается на 9,6оС;

- при встречном движении при таких же условиях в наружной прослойке воздух нагревается на 8,5оС, а охлаж-

дается на 8,5оС, т. е. при попутном движении эффект использования тепла больше на 15%. Разработаны технические решения вентилируемых окон НОРТ-2 с двойным движением воздуха, позволяющие экономить не только трансмиссионное и вентиляционное тепло, но и обеспечивать необходимый приток свежего воздуха в помещение.

Следует оценить возможность образования инея на внутренней поверхности стекол НОРТ-2, поэтому конструированию окон должен предшествовать расчет.

Наружное ограждение НОРТ-2 позволяет эффективно использовать тепло отводимого из помещения воздуха и только за счет этого снизить теплопотери примерно на 50%.

Список литературы

1. Беляев В.С. Теплопередача в стыках наружных стен крупнопанельных зданий при двухмерной фильтрации воздуха // Жилищное строительство. 2013. № 7. С. 16-20.

2. Беляев В.С. Теория угасания температурных колебаний при прохождении их через наружные стеновые панели // Жилищное строительство. 2013. № 9. С. 34-36.

3. Беляев В.С. Наружные ограждающие конструкции с рекуперацией трансмиссионного тепла // Жилищное строительство. 2013. № 8. С. 10-21.

* Методы теплотехнических расчетов таких конструкций будут представлены как продолжение данной статьи в следующем номере журнала.

44

122013