Энергосберегающая стена с регулируемыми теплозащитными свойствами
ENERGY-SAVING WALL WITH CONTROLLED HEAT-SHIELDING PROPERTIES

Изобретение относится к области строительства энергоэффективных и экологически безопасных зданий, и, в частности, касается автоматического регулирования теплозащитных свойств защитной оболочки здания и снижения затрат на обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях в холодный период времени.
3
В настоящее время при возведении энергоэффективных зданий, как правило, используются конструктивные решения стен в виде многослойных ограждающих конструкций с использованием воздушной прослойки и эффективных утеплителей различного типа, в большинстве случаев расположенных внутри стены в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя. Известно, что замкнутая воздушная прослойка в стене не дает большого эффекта по повышению теплозащиты здания из-за интенсивной передачи теплоты через воздушную прослойку теплопроводностью, конвекцией и излучением. Поэтому воздушная прослойка заполняется различными видами эффективных утеплителей с плотностью 30-150 кг/м, в структуре которых воздух находится в защемленном состоянии. Эффективность утеплителя определяется количеством защемленного воздуха, степенью его неподвижности и теплоизоляционными свойствами самого материала утеплителя. Такие решения, рассчитанные на постоянные теплофизические характеристики стен, являются нерациональными с учетом значительного изменения режимов и условий эксплуатации зданий в зимний и летний периоды, ухудшения теплофизических свойств эффективных утеплителей в течение 10-20 лет из-за их невысокой долговечности в результате старения, снижения теплозащитных свойств стен в процессе эксплуатации. Одним из главных недостатков многослойных стен с внутренним слоем эффективного утеплителя является их неремонтопригодность при потере или утрате теплоизоляционных свойств внутренним слоем в связи с невозможностью замены эффективного утеплителя. Для восстановления теплозащитных свойств таких стен требуются большие затраты на устройство, как правило, дополнительного наружного слоя утеплителя на фасаде здания.
При этом, перепад между температурой внутреннего воздуха в помещениях и температурой внутренних поверхностей стен часто превышает нормируемые величины (4°С для жилых зданий и 4,5°С для общественных зданий) [1], что вызывает повышение влажности стен и способствует появлению плесени. Увлажнение стен значительно снижает их теплозащитные свойства и экологическую безопасность. Кроме того, используемые эффективные утеплители в виде различных типов пенопластов и минеральной ваты в процессе эксплуатации выделяют токсические вещества, попадающие в окружающую среду и внутренние помещения зданий и наносящие вред здоровью людей. Также в холодный период времени при естественной вентиляции, как правило, не выполняются нормативные требования по воздухообмену в помещениях как следствие повышения герметичности используемых в настоящее время ограждающих конструкций, в том числе и светопрозрачных. Это приводит к повышению концентрации углекислого газа в помещениях, превышающей нормативные значения.
Известна многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами, содержащая наружную и внутреннюю стенки с воздушным каналом между ними, при этом в наружной стенке выполнено сквозное отверстие, в верхней части которого закреплен Т-образный элемент, вертикальной стенкой заходящий в емкость U-образного сечения, установленную на горизонтальной пластине, жестко соединенной с внутренней стенкой и разделяющей воздушный канал на две зоны, к горизонтальной пластине жестко прикреплен второй Т-образный элемент, вертикальной стенкой заходящий во вторую емкость U-образного сечения, установленную в нижней части сквозного отверстия (RU 118655, МПК, Е04В 2/00, Е04В 1/76, 27.03.2012 [2]. Недостатком известной конструкции является недостаточно высокие теплозащитные свойства стен с воздушной прослойкой, отсутствие возможности автоматизированного изменения теплофизических свойств стены в процессе эксплуатации и участия в управлении воздухообменом в помещениях.
Известна многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами, содержащая наружную и внутреннюю стенки с воздушным каналом между ними, при этом к наружной поверхности внутренней стенки горизонтально прикреплена пластина, разделяющая воздушный канал на две зоны, а в наружной стенке выполнено отверстие, с установленными в нем жестким каркасом и заслонкой, к нижней части которой прикреплен изогнутый шток, верхней точкой шарнирно соединенный с нижней гранью пластины, которая дополнительно соединена через сильфон со штоком (RU 118988, МПК, Е04В 2/00, Е04В 1/76, 27.03.2012 [3]. Недостатком известной конструкции является низкий эффект в изменении теплозащитных свойств стен с воздушной прослойкой, отсутствие возможности автоматизированного регулирования теплофизических свойств стены в процессе эксплуатации и участия в управлении воздухообменом в помещениях.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является конструкция многослойной стены с теплоизоляционным слоем, имеющим вентилируемую воздушную прослойку, параллельную ограждающей конструкции здания, источник энергии для воздуха внутри прослойки, и систему управления параметрами потока воздуха в прослойке в зависимости от наружных погодных условий и температуры воздуха в помещении (Л.Н. Данилевский. Теплоизоляционная система с управляемыми свойствами для пассивного дома. Архитектура и строительство, №3, 1998 г., с. 30, 31 [4]; Данилевский Л.Н. Энергоэффективные жилые здания: тепловая защита, утилизация тепловых выбросов, измерение теплоэнергетический показателей /Л.Н. Данилевский. - Минск, 2018. - 534 с.) [5]. Недостатком известной конструкции является сложность системы для подогрева и транспортировки воздуха в воздушной прослойке, нестабильность температуры воздуха в воздушной прослойке при использовании грунтового теплообменника.
Задачей предлагаемого изобретения является автоматизированное регулирование теплофизических свойств стены здания в зависимости от изменения погодных и эксплуатационных условий с повышением в холодный период теплозащитных свойств стены в несколько раз и снижение затрат на обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях.
3
Вышеуказаннный результат достигается тем, что предлагаемая энергосберегающая стена с регулируемыми теплозащитными свойствами содержит стену из традиционных стеновых материалов (монолитный бетон, кирпич, блоки из ячеистого бетона и т.п.) с внутренней воздушной прослойкой и слоем эффективного утеплителя, например из минеральной ваты, прилегающей к защитному наружному слою стены. Воздушная прослойка содержит натуральный или искусственный пух из расчета 1,2 - 3,6 килограмм на 1 м объема воздушной прослойки и имеет в нижней части перфорированный трубопровод, подсоединенный к размещенному на внутренней грани стены устройству для подогрева и подачи воздуха из помещений в воздушную прослойку (воздушно-тепловые завесы, тепловентиляторы и т.п.) со скоростью, соответствующей скорости витания пуха (то есть скорости потока воздуха, при которой частицы пуха, находящегося в потоке, остаются во взвешенном состоянии, т.е витают). В верхней части наружной части стены имеется клапан для удаления отработанного воздуха, а в нижней части клапан для при притока свежего воздуха, соединенный с трубопроводом, проходящим через воздушную прослойку снизу вверх и имеющим выход в помещение через внутреннюю часть стены. Трубопровод для подачи свежего воздуха может быть выполнен в виде вертикальной трубы или в виде трубы в форме змеевика для повышения эффективности подогрева свежего воздуха при его движении снизу вверх. Для управления свойствами стены используется автоматизированная система, включающая датчики температуры, влажности, плотности и блок управления.
В результате использования предлагаемого изобретения в холодный период времени снижаются затраты на отопление здания и обеспечение требуемого воздухообмена и оптимальных микроклиматических параметров в помещениях.
Технический результат: обеспечение в холодный период времени высоких теплозащитных характеристик наружных стен зданий с возможностью их автоматического регулирования при изменении условий эксплуатации с одновременным снижением затрат на отопление, вентиляцию и поддержание требуемых параметров микроклимата внутренних помещений.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1 представлена общая схема конструктивного решения энергосберегающей стены с регулируемыми теплозащитными свойствами; на фиг. 2 - вертикальный разрез энергосберегающей стены с регулируемыми теплозащитными свойствами; на фиг. 3 - вертикальный разрез энергосберегающей стены с регулируемыми теплозащитными свойствами в месте прохождения воздуховода с приточным клапаном для поступления свежего воздуха; на фиг. 4 - вертикальный разрез энергосберегающей стены с регулируемыми теплозащитными свойствами с разделением воздушной прослойки на 2 отсека вертикальным элементом, поверхности которого имеют выступающие элементы в виде крючков различной формы; на фиг 5 - общая схема конструктивного решения энергосберегающей стены с использованием воздуховода в виде змеевика с приточным клапаном для подогрева и поступления свежего воздуха в помещение и с разделением воздушной прослойки на 2 отсека вертикальным элементом, поверхности которого имеют выступающие элементы в виде крючков различной формы; на фиг. 6 - общий вид взаимодействия пуха с крючками слоя, расположенного на внутренних поверхностях воздушной прослойки или внутри прослойки; на фиг. 7 - электронномикроскопические снимки используемого природного пуха.
3
Энергосберегающая стена с регулируемыми теплозащитными свойствами содержит стену 1 из традиционных стеновых материалов (монолитный бетон, кирпич, блоки из ячеистого бетона и т.п.) с внутренней воздушной прослойкой 2 и слоем эффективного утеплителя 3, например из минеральной ваты, прилегающей к защитному наружному слою стены 4. Воздушная прослойка имеет в нижней части перфорированный трубопровод 5 с отверстиями 6, подсоединенный к размещенному на внутренней грани стены устройству для подогрева и подачи теплого воздуха 7 (воздушно-тепловые завесы, тепловентиляторы и т.п.) в воздушную прослойку 2 со скоростью, соответствующей скорости витания пуха, клапан 8 для выпуска отработанного воздуха, воздуховод 9 различной формы для подачи свежего воздуха с заборным клапаном 10 и приточным клапаном 11, датчики температуры 12, влажности 13 и плотности 14. Воздушная прослойка заполнена натуральным или искусственным пухом 15 из расчета 1,2 - 3,6 килограмма на 1 м объема воздушной прослойки. Для стабилизации положения пуха боковые поверхности воздушной полости и сама полость могут иметь вертикальные слои 16 с выступающими элементами в виде крючков 17 различной формы (наподобие одной из поверхностей застежек-липучек), за которые цепляются пушинки с помощью микрокрючков, расположенных на концах бородок пуха. На внутренней грани стены закреплен блок автоматизированного управления 18 теплозащитными свойствами стены и воздухообменом. Для наполнения воздушной прослойки пухом служит отверстие 19 с клапаном в нижней части стены, через которое происходит и замена пуха после заданного срока эксплуатации.
3
3
Энергосберегающая стена с регулируемыми теплозащитными свойствами работает в различных режимах. В теплый период времени автоматизированный блок управления 18 отключен и система находиться в нерабочем состоянии. Пух 15 находится в нижней части стены в неподвижном состоянии. При достижении в холодный период времени температуры наружным воздухом заданных значений, автоматизированная система управления 18 включает и регулирует подачу теплого воздуха из помещения в воздушную прослойку 2 стены посредством перфорированного трубопровода 5 со скоростью, соответствующей скорости витания пуха (0,01-0,08 м/сек в зависимости от свойств пуха). При этом пух, находящийся внизу воздушной прослойки, наполняется теплым воздухом, поднимается вверх и на определенное время стабилизирует свое положение во взвешенном состоянии с плотностью от 1,2 кг/м до 3,6 кг/м в зависимости от качества, вида и свойств пуха.
Известно, что на сегодня одним из самых лучших утеплителей (теплоизоляторов) и экологически безопасным является пух птиц, и самым высокоэффективным из них - пух северной птицы Гаги, имеющий в зависимости от плотности и благодаря уникальному строению коэффициент теплопроводности λ - 0,023-0,029 Вт/м°С (λ воздуха изменяется при атмосферном давлении в интервале температур от -20°С до +20°С соответственно от 0,0228 Вт/м°С до 0,0259 Вт/м°С). Пушинки почти не имеют жестких элементов, они обладают маленькими размерами и могут сцепляться друг с другом. Благодаря этому пух представляет собой легкую, наполненную воздухом пространственную структуру, которая быстро восстанавливает первоначальный объем после сжатия. Низкая теплопроводность пуха в сочетании с минимальным весом делает его характеристики практически недостижимыми для современных искусственных и натуральных утеплителей.
Благодаря сложному ветвистому строению и уникальным упругим свойствам бородок пуха каждый элемент пуховой смеси ("пушинка") отталкивается друг от друга, образуя систему мельчайших воздушных каналов, обеспечивая тем самым высокую теплоизоляцию. При сжатии бородки пуха легко сцепляются между собой, входят одна в другую, таким образом, пух при сжатии занимает малый объем, а также легко принимает первоначальную форму. Наряду с натуральным пухом, в настоящее время выпускается большой ассортимент искусственного пуха, например лебяжего пуха, с высокими теплоизоляционными и экологическими свойствами,
На сегодня известно использование пуха в качестве утеплителя одежды. Для определения качества пуха, используемого в качестве наполнителя одежды, определяют специальный коэффициент, или индекс Fill Power, характеризующий наполняющую способность пуха и его упругость [5]. В результате прохождения теста результаты параметра Fill Power распределяются следующим образом:
- до 400 - пух плохого качества;
- 400 - 450 - пух среднего качества;
- 500-750 - пух отличного качества;
- 750 и выше - пух исклюзивного качества.
Натуральный пух с параметра Fill Power выше 750 является дорогостоящим материалом.
3
3
Предлагаемое техническое решение, позволяющее получить структуру пуха, соответствующего индексу Fill Power от 500 до 900 даже из низкосортного сырья, невозможно реализовать в одежде, но оно может быть успешно реализовано в ограждающих конструкциях зданий для повышения теплозащитных свойств стен на период низких температур. Технические решения позволяют создать тепловую завесу с низким коэффициентом теплопроводности внутри стены в результате движения теплого воздуха снизу вверх со скоростью витания 0,01-0,08 м/сек., способствующей нахождению пуха во взвешенном состоянии с плотностью от 3,6 кг/м до 1,2 кг/м (что соответствует показателю Fill Power 500-900). Степень наполнения воздушной прослойки пухом регулируется скоростью движения воздуха и контролируется датчиком плотности 14, находящимся в верхней части воздушной прослойки 2. При достижении заданной плотности пуха в воздушной прослойке датчик плотности 14 подает сигнал для отключения подачи теплого воздуха. Для удержания пуха во взвешенном распушенном состоянии предусматривается использование на боковых гранях воздушной прослойки слоев 16 с выступающими элементами в виде крючков 17 различной формы (наподобие элемента «липучки» (фиг. 6). Энергосберегающая стена при ширине воздушной прослойки более 0,1 м может быть разделена на несколько отсеков вертикальными элементами 16, поверхности которых имеют выступающие элементы в виде крючков различной формы (фиг. 4).
Конструктивное решение стены позволяет повысить экологическую безопасность здания, так как стена является паропроницаемой и хорошо «дышит», т.е. хорошо выводит влагу (пар) из помещений наружу. Традиционные стены с внутренним слоем из эффективного утеплителя всегда в зимний период повышают свою влажность до 6-10% в зависимости от свойств слоев стены и утеплителя (паропроницаемости, воздухопроницаемости) и в связи с этим значительно снижают свои теплозащитные функции. При циркуляции в воздушной прослойке теплого воздуха стена в зимний период не накапливает влагу и даже снижает свою влажность (высушивается) и благодаря этому повышает свои теплотехнические показатели. Пух благодаря теплому потоку воздуха находится в сухом состоянии.
Количество пуха определяется объемом воздушной прослойки. Например, для стены высотой 3 м и длиной 6 м с воздушной прослойкой 0,1 м понадобится всего от 2 до 6 кг пуха в зависимости от его вида и качества. Одним из наиболее существенных преимуществ предлагаемого технического решения, отличающихся новизной, является возможность замены пуха, расположенного в воздушной прослойке, например через 10-20 лет эксплуатации стены, что невозможно осуществить при известных решениях многослойных стен с расположением утеплителя в качестве внутреннего слоя. Замена пуха происходит через отверстие 19 с клапаном в наружной или внутренней части стены с помощью пылесосных и задувных машин.
Согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» температурный перепад, °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин, установленных в таблице 5.
При этом, перепад между температурой внутреннего воздуха в помещениях и температурой внутренних поверхностей стен часто превышает нормируемые величины (4 градуса для жилых зданий и 4,5 градуса для общественных зданий) [1], что вызывает повышение влажности стен и способствует появлению плесени в отдельных местах. Кроме того, используемые эффективные утеплители в виде различных типов пенопластов и минеральной ваты в процессе эксплуатации выделяют токсические вещества, попадающие в окружающую среду и внутренние помещения зданий и наносящие вред здоровью людей.
Предлагаемое конструктивное решение позволяет обеспечить температуру внутренней поверхности стены не только в пределах нормируемого перепада (4-4,5°С), но и соответствующую температуре воздуха в помещениях, что значительно повышает ощущение комфорта людьми. Это обеспечивается работой блока управления 18 системой: при снижении температуры воздуха в воздушной прослойке ниже заданных значений (например, на 3-4°С) сигнал поступает от датчика температуры 12, и включается устройство подогрева и подачи теплого воздуха в воздушную прослойку. При этом, теплый воздух при движении распушивает содержимое воздушной прослойки до однородной среды. При достижении высокой степени распушки подача теплого воздуха прекращается и он остается в неподвижном защемленном состоянии в структуре пушинок. С учетом того, что воздушная прослойка с одной стороны ограничена внутренней частью 1 стены, температура которой соизмерима с температурой воздуха в помещении, а с другой стороны слоем эффективного утеплителя 3, остывание воздуха, защемленного в пушинках, происходит достаточно медленно (на 3-4°С в течение получаса). При снижении температуры до заданных значений, датчик температуры 12 подает сигнал для подачи подогретого воздуха. Таким образом поддерживается оптимальный температурно-влажностный режим наружной стены и исключается даже при самых низких температурах наружного воздуха снижение температуры внутренней поверхности стены ниже так называемой точки «росы», при которой появляется конденсат и создаются условия для образования плесени.
На начальном этапе работы системы управления по измеренным значениям температуры наружного воздуха и в помещениях в блоке управления 18 выполняется расчет температуры и скорости движения воздуха в воздушной прослойке из условия обеспечения неподвижности пуха с защемленным в нем теплого воздуха.
Пример. Расчет условного сопротивления теплопередаче по методике [1] стены с воздушной прослойкой и стены с воздушной прослойкой, заполненной пухом с защемленным теплым воздухом.
По таблице 2 СП 50.13330.2012 [1] из-условия эксплуатации ограждающих конструкций в режиме Б (г. Брянск относится к нормальной зоне влажности; влажностный режим помещения - нормальный).
Конструктивное решение стандартной стены с воздушной прослойкой:
1
Б1
1. Внутренний слой из кирпича силикатного на цементно-песчаном растворе толщиной δ=0,25 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,87 Вт/(м⋅°С).
2
2
2. Воздушная прослойка толщиной δ=0,1 м с термическим сопротивлением 0,15 м⋅°С/Вт [1].
2
Б3
3. Слой эффективного утеплителя из минеральной ваты толщиной δ=0,07 м коэффициентом теплопроводности λ=0,04 Вт/(м⋅°С).
4
Б4
4. Кладка из кирпича силикатного на цементно-песчаном растворе, толщина δ=0,12 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,87 Вт/(м⋅°С).
Конструктивное решение энергосберегающей стены с воздушной прослойкой, заполненной пухом с защемленным теплым воздухом:
1
Б1
1. Внутренний слой из кирпича силикатного на цементно-песчаном растворе толщиной δ=0,25 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,87 Вт/(м⋅°С).
2
Б2
2. Воздушная прослойка толщиной δ=0,1 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,029 Вт/(м⋅°С).
2
Б3
3. Слой эффективного утеплителя из минеральной ваты толщиной δ=0,07 м коэффициентом теплопроводности λ=0,04 Вт/(м⋅°С).
4
Б4
4. Кладка из кирпича силикатного на цементно-песчаном растворе, толщина δ=0,12 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,87 Вт/(м⋅°С).
0
усл
Условное сопротивление теплопередаче R (формула (Е.6), СП 50.13330.2012) [1] определяется:
0
int
n
n
ext
усл
R=l/α+δ/λ+l/α
int
int
2
2
где α - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м⋅°С), принимаемый по таблице 4 СП 50.13330.2012. α=8,7 Вт/(м⋅°С);
ext
2
α - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкций для условий холодного периода, принимаемый по таблице 6 СП 50.13330.2012. Для наружных стен: 23 Вт/(м⋅°С).
Отсюда условное сопротивление теплопередаче для многослойной стены с воздушной прослойкой толщиной 0,1 м:
0
усл
2
R=1/8,7+0,025/0,87+0,15+0,07/0,04+0,12/0,87+1/23=2,48 м⋅°С/Вт
Условное сопротивление теплопередаче для энергосберегающей стены с воздушной прослойкой, заполненной пухом с защемленным теплым воздухом:
0
усл
2
R=1/8,7+0,025/0,87+0,1/0,029+0,07/0,04+0,12/0,87+1/23=5,78 м⋅°С/Вт
Сопротивление теплопередаче возросло в 2,33 раза по равнению с первым вариантом.
2
2
При увеличение в обычной стены толщины воздушной прослойки на 5 см до 0,15 м сопротивление теплопередаче стены не изменится, так как термическое сопротивление прослоек толщиной 0,1 м и 0,15 м имеет одинаковые значения 0,15 м⋅°С/Вт [1]. (СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением N 1) табл. Е.1. Толщина воздушной прослойки, м 0,1 м и 0,15 м - при положительной температуре в прослойке - термическое сопротивление 0,15 м⋅°С/Вт).
В то же время сопротивление теплопередаче предлагаемого решения при увеличении толщины воздушной прослойки, заполненной пухом, на 5 см от 0,1 м до 0,15 м составит:
0
усл
2
R=1/8,7+0,025/0,87+0,15/0,029+0,07/0,04+0,12/0,87+1/23=7,5 м⋅°С/Вт.
Сопротивление теплопередаче возросло в 3 раза по сравнению с первым вариантом.
1. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003.
2. Кузнецов А.В., Мартиров В.Б. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами. RU 118655, МПК, Е04В 2/00, Е04В 1/76, 27.03.2012.
3. Кузнецов А.В., Мартиров В.Б. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами. RU 118988, МПК, Е04В 2/00, Е04В 1/76, 27.03.2012.
4. Л.Н. Данилевский. Теплоизоляционная система с управляемыми свойствами для пассивного дома. Архитектура и строительство, №3, 1998 г., с. 30-31.
5. Данилевский Л.Н. Энергоэффективные жилые здания: тепловая защита, утилизация тепловых выбросов, измерение теплоэнергетический показателей /Л.Н. Данилевский. - Минск, 2018. - 534 с.