Анализ эффективности пассивных мер энергосбережения в зданиях с большой площадью остекления

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАССИВНЫХ МЕР ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ЗДАНИЯХ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ

ОСТЕКЛЕНИЯ

ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF PASSIVE ENERGY SAVING MEASURES IN BUILDING WITH LARGE GLAZING AREA

С. Паулаускайте, В. Лапинскене S. Paulauskaite, V. Lapinskiene

Вильнюсский технический ТУ им. Гедиминаса

В данной статье рассмотрено влияние остекления на первичное энергопотребление в здании и возможное энергосбережение в зависимости от ориентации главного фасада здания по сторонам света, оптических характеристик стеклопакетов и различных солнцезащитных средств.

This report examines the impact of glazing to annual energy consumption in office building, also energy savings, due to different orientation of the main facade, different thermal - optical properties of the glazing, and various shading devices.

Современные здания почти невозможно представить без больших окон или стеклянных фасадов внушительных размеров, однако из-за специфических особенностей теплопроводности и светопропускания стекла при желании круглогодично поддерживать в здании необходимый микроклимат требуются большие энергозатраты. Требования к производству и потреблению тепловой энергии для отопления, а также теплотехнические характеристики ограждений зданий регламентированы во многих нормативных документах. В то же время охлаждение зданий регламентируется только одним стандартом [10]. Поэтому при определении мощности и потребления охлаждения приходится руководствоваться методиками, описанными в других источниках, или компьютерными программами.

Влияние остекления на энергопотребление рассматривалось многими авторами. Исследовалось влияние на энергопотребление оптимально остекленной поверхности, формы, ориентации здания по сторонам света и др. [3, 7]. Анализировались факторы, оказывающие наибольшее воздействие на потребности в отоплении и охлаждении здания, их индексы чувствительности [2], потребление тепловой энергии в зданиях [9], а также возможности снижения потерь тепла через окна [4].

Произведена оценка микроклимата административных зданий и энергозатрат с использованием фактора ECO [1], который в шкале от 0 до 100 % учитывает потребление тепловой энергии и влияние поддержания комфортных условий на окружающую среду.

Исследуемый объект и методика исследования

Исследуемым объектом являлись помещения в административном здании в городе Вильнюсе, находящиеся на пятом этаже. Общая площадь помещений составляла 2042

7/)П11 ВЕСТНИК

_z/20ll_мгсу

м2, фасад самой большой остекленной площади был ориентирован на восток. Площадь прозрачных ограждений составляла 2042 м2, т. е. 60 % площади всех наружных стен. Для защиты от солнца использовались жалюзи внутри помещений. Были смонтированы стеклопакеты Sun Guard HP Silver 43, коэффициент теплопроводности которых U = 1,2 Bt/(m2-K), а фактор совокупной проводимости солнечной энергии g = 0,31. Коэффициент теплопроводности алюминиевых профилей был равен 1,9 Вт/(м2-К), соотношение окон и профилей - 90 и 10 %. Коэффициенты теплопроводности других элементов здания соответствовали нормативным значениям. В помещениях в отопительный сезон поддерживалась температура, равная 20 °C, а в сезон охлаждения 24 °C. Системы вентиляции и охлаждения летом работают в рабочее время. Принято, что на исследуемом этаже здания работает 180 человек, рабочее время которых длится с 8 до 17 ч в течении шести суток в неделю. Для расчета потребления здания для отопления руководствовались действующим в Литве стандартом [12]. Мощность охлаждения исследуемого здания определялась составлением баланса притока теплоты, а годовые потребности в охлаждении анализировались, приняв предпосылку, что рабочее время на объекте составляет шесть дней в неделю с 10 до 19 ч. Для расчетов применялась программа Литовского строительно-проектного института.

При установлении мощности охлаждения составлялся баланс притока тепла:

Qom = Qoce +Q рад ~^Qeenm

где: Qocb - теплота, поступающая в помещение от искусственного освещения, бытовых приборов, а также тепловой поток, излучаемый в результате метаболизма человека; Qpiw - теплота, попадающая в помещение из-за солнечного излучения, кВт (в расчетах принималос максимальное значение теплового потока по каждой ориентации в течение одной рабочей смены, т. е. с 10 до 19 ч); QBeHr - теплота, поступающая в помещение с поступающим свежим воздухом, кВт:

Qsenrn = LpcAt

где: L - поступающее в помещение количество воздуха, м3/ч; c - теплоемкость воздуха, Вт-ч/м3; р - плотность воздуха, кг/м3; At - разница между температурами внешнего и внутреннего воздуха, °C.

Большую часть теплового баланса составляет приток теплоты из-за солнечного излучения через остекленные поверхности. Теплота попадает в помещения через стекла при непосредственном попадании солнечных лучей и при их отражении от земли и зданий, а также при прохождении через массивные ограждения из-за разницы температур снаружи и внутри помещения.

Поток теплоты, поступающего через остекленные поверхности, рассчитывается по формуле:

......

Qocm ~

ост

где: qOCT', Чост" - плотность тепловых потоков от непосредственного и отраженного излучения, поступивших через остекленные поверхности, Вт/м2; AOCT', AOCT''- поверхность, подвергающаяся воздействию непосредственного и отраженного излучения, м2; К - поправочный коэффициент, учитывающий препятствия, встречаемые на пути солнечных лучей; ROCT, - термическое сопротивление остекленной поверхности, м2-К/Вт; AOCT - площадь остекленной поверхности м2; tH - средняя температура наружного воздуха в июле; tB - температура воздуха в помещении.

Интенсивность непосредственного и отраженного солнечного излучения определяется с учетом положения ограждения, географической широты, времени суток и года. Плотность теплового потока, попадающего через поверхность, подвергающуюся воздействию непосредственного излучения, рассчитывается:

С^ост =

С ост = драсK1K2 ,

где: Спр - плотность теплового потока от непосредственного солнечного излучения, Вт/м2; Срас - плотность теплового потока от отраженного солнечного излучения, Вт/м2; К1 - коэффициент, учитывающий тень от оконных рам; К2 - коэффициент, учитывающий загрязнение стекол.

В климатических условиях Литвы тепловой поток, попадающий сквозь стены, можно считать незначительным. Термическое сопротивление массивных ограждений и тепловая инерция намного больше, чем у окон. Тепловая энергия, накопленная ограждениями, из-за тепловой инерции ограждений попадает в помещения с опозданием - тепловой поток опаздывает по сравнению с потоком солнечного излучения.

При расчетах по рассмотренной выше методике не учитывался приток тепла через стены, однако с помощью программы Литовского строительно-проектного института были рассчитаны притоки тепловой энергии через совмещенную крышу. Аналитически были определены притоки тепловой энергии от людей, освещения и технического оборудования. Считалось, что на объекте работает 180 человек, поэтому выделение теплоты от оборудования и вследствие метаболизма людей при выполнении легкой работы составили 220 Вт на одно рабочее место. Теплота от искусственного освещения составило 40 Вт на один светильник.

Энергопотребление было переведено к потребностям в первичной энергии с той целью, чтобы можно было объективнее оценить влияние на потребности как отдельно в тепле и охлаждении, так и в общей энергии на основании показателей первичной энергии, представленных в [8]: для природного газа применялся показатель перерасчета, равный 1,1, а для электроэнергии 2,8.

Анализировались потребности в тепле и в охлаждении, принимая разные средства энергосбережения как для существующего, так и для проектируемого здания.

Меры энергосбережения для существующего здания

Для уменьшения потребления электроэнергии при охлаждении могут быть применены различные солнцезащитные средства. При проектировании зданий архитекторы Литвы зачастую недооценивают экономию энергии, получаемую благодаря применению солнцезащитных средств, а многие проектировщики в Западной Европе успешно применяют эти средства. Жалюзи, оборудованные внутри помещений многих административных зданий, не столь эффективны по сравнению с внешними. Внутренние жалюзи могут задержать до 30 % солнечной теплоты. При использовании жалюзи внутри помещений солнечные лучи попадают сквозь стекло, тепло концентрируется между окном и солнцезащитным устройством, и таким образом эта накаленная полость греет помещение.

Наиболее эффективным солнцезащитным средством являются жалюзи снаружи помещения. Они задерживают до 80 % солнечной теплоты. Однако для того, чтобы не задерживать попадания солнечной теплоты в помещение зимой, идеальным вариантом будет применение автоматически управляемых внешних жалюзи.

Для выбранного объекта моделировались четыре варианта:

1) без применения солнцезащитных средств;

2) жалюзи снаружи здания;

3) применение козырьков, лоджий, маркиз;

4) применение других средств внутри помещения или между стеклами.

На рис. 1 приведены результаты расчетов. Установлено, что на рассматриваемом объекте при восточной ориентации и применении нерегулируемых солнцезащитных средств - внешних жалюзи возможная экономия может составить до 20 % (рис. 1) годовой потребности в первичной энергии для охлаждения. Однако потребности в отоплении при этом могут увеличиться до 12 %. Чаще всего применяемые в зданиях административного назначения внутренние жалюзи на рассматриваемом объекте могут сэкономить до 16 % теплоты при удовлетворении потребности в охлаждении.

В случае оценки общих затрат энергии разница между наиболее эффективным солнцезащитным средством - внешними жалюзи и неприменяемыми солнцезащитными средствами составит 20 %. В связи с тем, что в рассматриваемом здании уже применяются внутренние солнцезащитные средства, возможности экономии в случае дополнительно оборудования внешних жалюзи составят 15%.

300 л-

И

5 <5

250

200

150

100

50

-4-43-

-Ш-

168

179

83

78

76

1111

2 12 3 4

о

5 В арианты с опнцез ащигних ср ед ств

Г од ов о е энергопотр е бл ение для от опп ения я Г од ов о е энергопотр е 6л ение для ох л ажд ения

Рис. 1. Влияние солнцезащитных средств на энергопотребление первичной энергии

для отопления и охлаждения

Солнцезащитные средства могут применяться в качестве мер энергосбережения и эффективного использования энергии не только в новых строящихся зданиях с большими остекленными площадями, но и в уже имеющихся. Энергосбережения могут быть более значительными, если тепловые и оптические характеристики стеклопаке-тов хуже, чем рассматриваемом случае.

Средства энергосбережения для проектируемого здания

Для анализируемого объекта рассматривались два варианта мер по энергосбережению:

1) ориентация фасада по сторонам света и влияние солнцезащитных средств на энергопотребление;

2) влияние тепловых и оптических характеристик стеклопакетов на энергопотребление;

Оптимальная ориентация относительно сторон света наиболее остекленного фасада здания может считаться пассивным использованием солнечной энергии или пассивным способом энергосбережения.

Для рассматриваемого объекта были произведены расчеты энергопотребления для восьми разных ориентаций наиболее остекленного фасада здания относительно сторон света. При этом принимались разные солнцезащитные средства.

$ 255 ?

и

<а

О 245 С

235

Р 225

215

255

247 / X

237 • / ь й  Ж

229

ж 231

228

224

220

а СБ

д В

ЮВ

Ж Ю

1

ЮЗ

- СЗ

Варианты солнцезащитних средств

Рис. 2. Зависимость годовой потребности в первичной энергии для отопления и охлаждения от ориентации главного фасада здания и применяемых солнцезащитных

средств

Полученные результаты показывают, что годовая потребность в первичной энергии для отопления во всех случаях ориентации фасада различается приблизительно на 10-14 % по сравнению с вариантами, когда не применяются солнцезащитные средства и применяются жалюзи с внешней стороны. Очевидно, что потребности в энергии постепенно увеличиваются при применении более эффективных солнцезащитных средств. С помощью выбранной методики расчета учитывалось лишь то, что при применении солнцезащитных мер уменьшаются притоки тепла в помещения и таким образом увеличиваются потребности в теплоте. Применяя компьютерные программы, можно моделировать внешние жалюзи, регулируемые в зависимости от притоков тепла, и оценить их реальное влияние, как в зимний, так и летний период.

Изменяя ориентацию наиболее застекленного фасада здания относительно сторон света, можно сэкономить до 14 % энергии на охлаждение. Сравнение результатов, получаемых при использовании солнцезащитных средств и использовании внешних жалюзи, выявило их различие до 21 %. В случае применения внешних жалюзи наибольшей оказывается потребность в энергии на охлаждение, но и наименьшим влияние ориентации главного фасада здания относительно сторон света. При сравнении годовых потребностей в энергии (рис. 2) видим, что результаты различаются до 10 %.

Чем эффективнее применяемые средства, тем меньше влияние ориентации фасада, так как меньше приток тепла, интенсивность которого в холодный период года и так невелика.

Влияние тепловых и оптических характеристик стеклопакетов на энергопотребление

Для оценки влияния тепловых и оптических свойств на энергопотребление рассматриваемого объекта были произведены расчеты для четырех вариантов солнцезащитных средств и пяти разных стеклопакетов (табл. 1).

Произведенные расчеты показали (рис. 3), проектные потребности в энергии для отопления различаются на 15-20 %, а энергопотребление для охлаждения - лишь до 2 % в зависимости от применяемых солнцезащитных средств. При этом, сравнивались два стеклопакета, коэффициент совокупной проводимости солнечной энергии, которых g = 0,52, а коэффициент теплопередачи равен 0,7 и 1,1 Вт/(м2-К).

Таблица 1. Тепловые и оптические свойства рассматриваемых стеклопакетов

Тип остекления U, Bt/(m2 k) g, %

1 IPLUS NEUTRAL А+Аг+прозрачный+Аг+IPLUS NEUTRALS S 0.7 52

2 IPASOL Blau 40/23+Ar+ Clear 1.1 52

3 ANTELIO Green+Ar+IPLUS NEUTRAL S 1.1 28

4 Sun Guard HP Silver 43 1.2 31

5 прозрачный +PLUS NEUTRAL S 1.4 61

С уменьшением коэффициента теплопередачи уменьшаются потребности в энергии для отопления, а потребности в энергии для охлаждения уменьшаются совсем незначительно. В работе [3] анализировалось, как изменяются потребности в охлаждении с уменьшением коэффициента теплопередачи окон. Выявлена более интенсивная тенденция увеличения потребностей в энергии для охлаждения. Это может объясняться также применяемой методикой расчетов и характеристиками здания.

При сравнении стеклопакетов, коэффициент теплопередачи которых равен 1,1 Вт/(м2-К), а коэффициенты совокупной проводимости солнечной энергии разные ^ = 0,52 и g = 0,28), потребности в энергии для охлаждения различаются на 7-19 %, а проектные потребности в энергии для отопления различаются до 15 % в зависимости от применяемых солнцезащитных средств. С уменьшением совокупной проводимости солнечной энергии потребности в энергии для отопления увеличиваются, а для охлаждения уменьшаются.

315

290

о"

4> С

5

265

240

215

12 3 4

Варианты сопнцезащитних средств

♦ IPLUS NEUTR AL+A+Ar+пр озр ачний+Ar+I PL US NEUTRALS S  IPASOL Blau40/23+Ar+Clear -^-ANTELIO Gre en+Ai+I PLUS NEUTRAL S

x SunGuard HP Silver 43 —Ж— пр озрачний +PLUS NEUTRAL S

Рис. 3. Годовое энергопотребление первичной энергии для отопления и охлаждения при применении разных солнцезащитных средств и разных стеклопакетов

Разница в потребностях энергии для отопления оказалась максимальной для первого и пятого анализируемых стеклопакетов и составила до 37 % при изменении коэффициента теплопередачи от 0,7 до 1,4 Вт/(м2-К). Разница в потребностях энергии для охлаждения оказалась максимальной для третьего и пятого анализируемых вариантов стеклопакетов - до 25 % при изменении коэффициента совокупной проводимости солнечной энергии от 28 % до 61 %.

Выводы

1. Выявлено, что влияние разных энергосберегающих мер зависит от применяемых солнцезащитных средств и площади остекления. Чем эффективнее солнцезащитное средство или чем меньше площадь остекления, тем меньше влияние ориентации здания или тепловых и оптических характеристик применяемых стеклопакетов.

2. Установлено, что наиболее эффективной мерой из рассмотренных солнцезащитных средств являются жалюзи, смонтированные с наружной стороны здания. Они до 20 % снижают годовые потребности в энергии на отопление и охлаждение.

3. В результате анализа влияния ориентации основного остекленного фасада в зависимости от сторон света на энергопотребление установлено, что годовые потребности в первичной энергии на отопление и охлаждение минимальны при северной ориентации.

Литература

1. Bj0rn, E. Brohus, H. Оценка общего микроклимата административных помещений и энергопотребления при помощи фактора ECO. Гражданское строительство и управление. Международные научные исследования и достижения. - Вильнюс: Техника, 12 (1): с. 43-49, 2006.

2. Capozzoli, A.; Houcem, E. M.; Corrado, V. Влияние архитектурных решений на энергетическую эффективность здания используя методы неопределенности и чувствительности. / Одиннадцатая международная конференция IBPSA. Гласгоф, Шотландия, 27-30 мая, 2009.

3. Perednis, E.; Katinas, V.; Tumosa, A. Исследования вентиляции зданий, Энергетика, 53(2): с.57-60, 2007 (на лит. языке).

4. Исявичюс Е., Стапонкус В., Юреленис. Анализ уменьшения теплопотерь через окна. Энергетика 4: с.46-48, 2005. (на лит. языке).

5. Программа расчета мощности охлаждения литовского института проектирования строительства, Вильнюс, 2009.

6. Строительная климатология RSN 156-94, Вильнюс, (на лит. языке).

7. Саснаускайте, В.; Паулаускайте, С.; Валанчюс, К. 2009. Затраты энергии систем отопления и охлаждения в зависимости от характеристик остекления здания, в кн: // Материалы Третей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазо-снабжения и вентиляции». 11-13 ноября 2009 г. МГСУ, Москва МГСУ, 2009. с.58-62.

8. prEN 15315-2005 Системы отопления зданий - Энергоэффективность зданий - общее энергопотребление, первичная энергия и выбросы CO2 .Комитет по стандартизации Европы. Брюссель, 2005. 29 с.

9. Станкявичюс, В., Карбаускайте, Ю., Блюджюс, Р. Анализ потребления тепла в зданиях, Энергетика 4: с. 57-61. (на лит. языке).

10. STR 2.09.02:2005 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Вильнюс: Министерство окружающей среды, 2005 (на лит. языке).

11. STR 2.05.01:2005 Теплотехника ограждений зданий. Вильнюс, 2005. 133 с. (на лит. языке).

12. STR 2.09.04:2008 Мощность системы отопления здания. Теплопотребление для отопления. Вильнюс, 2008. 41 с. (на лит. языке).

7/)П11 ВЕСТНИК _7/2011 МГСУ

Literature

1. Bj0rn, E. Brohus, H. 2006. Overall evaluation of indoor climate and energy for alternative office designs using the Eco-factor, Journal of Civil Engineering and Management 12(1): 43-49. ISSN 1392-3730

2. Capozzoli, A.; Houcem, E. M.; Corrado, V. 2009. Impacts of architectural design choices on building energy performance applications of uncertainty and senility techniques, in Eleventh International IBPSA Conference. Glasgow, Scotland July 27-30, 2009.

3. Perednis, E.; Katinas, V.; Tumosa, A. 2007. Investigation of building cooling. Energetika 53

4. Isevicius, E.; Staponkus, V.; Jurelionis, A. 2005. Analysis of heat loss reduction through window edges. Energetika 4: 46-48.

5. The count of cooling power of Lithuanian Construction and Design Institute (LSPI). Vilnius,

2009.

6. RSN 156-94 Building climatology. Vilnius, LR AM, 1995. 137 p. (in lithuanian).

7. Sasnauskaité, V. Paulauskaité, S. Valancius, K. Energy demands for heating and cooling, depending on the characteristics of the glazing of the building, in

Scientific and Technical Forum, Theoretical foundations of heat and gas supply and ventilation": Papers, Ed. by V. Prochorov, J. Kuvsinov, L. Machov. November 11 - 13, 2009, Moscow. Moscow: MGSU, 58-62.

8. prEN 15315-2005 Heating systems in buildings - Energy performance of buildings - Overall energy use, primary energy and CO2 emissions. European committee for standardization. Brussels, 2005. 29 p.

9. Stankevicius, V.; Karbauskaité, J.; Bliüdzius, R. 2002. The analysis of demands for heating and cooling energy in the buildings. Energetika 4: 57-61. (in lithuanian).

10. STR 2.09.02:2005 Heating, ventilation and air conditioning. Vilnius: Ministry of Environment, 2005. (in lithuanian).

11. STR 2.05.01:2005. Thermal technology of building elements. Vilnius, 2005. 133 p. (in lithuanian).

12. STR 2.09.04:2008 The capacity of heating system in the building. Energy demand for heating. Vilnius, 2008. 41 p. (in lithuanian).

Ключевых слова: меры энергосбережения, характеристики остекления, солнцезащитные средства, энергопотребление на отопление и охлаждение

Key words: Energy saving measures, glazing characteristics, shading, energy demand for heating and cooling

e-mail: sabina.paulauskaite@vgtu.lt, vilpik@,gmail. com