Устройство тепловой изоляции зданий и сооружений
APPARATUS FOR HEAT INSULATION OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, в частности, к строительству пассивных зданий и может быть использовано для строительства новых и реконструируемых зданий и сооружений.
Приоритетными областями применения изобретения являются общественные, производственные и административно-бытовые помещения зданий и сооружений предприятий различных министерств и ведомств, расположенных в районах Арктики, в районах крайнего Севера и Дальнего Востока, в районах с вечномерзлыми грунтами и с низкой температурой наружного воздуха.
Широко известны традиционные устройства тепловой изоляции жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий и сооружений, применяемые в соответствии с действующими законодательными документами, в том числе, Сводом правил СП 60.13330.2012 "СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха" (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 30 июня 2012 г. N 279).
Традиционное применение тепло- и пароизоляционных материалов регламентируется также действующими законодательными документами, в том числе, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», а также СП 293.1325800.2017 Свод правил «Системы фасадные теплоизоляционные композиционные с наружными штукатурными слоями».
Недостатком традиционного способа тепловой изоляции зданий и сооружений является принципиальная невозможность полностью исключить потери тепла через ограждающие конструкции, что приводит к большому потреблению энергоресурсов на отопление с одновременным выбросом тепловой энергии в окружающую среду.
reg
2
Так, например, для новых и реконструированных зданий (общественных, административных и производственных) самого высокого класса энергетической эффективности "А" при наиболее значимой величине градусо-суток отопительного периода, равной 12000, нормируемое значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций равно: R =6,4 м⋅°С / Вт и, следовательно, для зданий, расположенных в климатических подрайонах России 1В, 1Г, 1Д, IIA, IIБ, IIB, IIГ, IIIA и IIIГ со среднемесячной температурой в январе до минус 28-32°С, нормируемые удельные теплопотери с каждого квадратного метра теплозащитного ограждения могут достигать существенных значений:
где
2
q - удельные теплопотери, Вт/м,
reg
2
R - нормируемое значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, м⋅°С / Вт,
tвн - температура внутреннего воздуха, °С,
tнар - температура наружного воздуха, °С.
Из уровня техники известно устройство системы отопления и кондиционирования здания, путем использования теплоисточников и тепловых насосов, содержащих внутренние и наружные блоки, согласно которому наружные блоки кондиционеров размещают в помещениях, отапливаемых теплоисточниками, что создает возможности рекуперации тепла и снижение расхода энергоресурсов (патент № RU 2725127С1, МПК F24D 3/18 F24F 1/00 F24F 7/00).
Недостатком этого способа является существенные потери тепла через ограждающие конструкции здания.
Из уровня техники известен также способ возведения и устройство наружных стен здания, патент RU 2042775 С1 МПК Е04Н 1/00, Е04В 1/35 (Патент США N 4433720, кл. 52-169.11), согласно которому в наружных стенах применяют стальные вертикальные плиты, заглубленные в грунт и передающие тепло из зоны постоянного источника тепла в грунте внутрь стены, причем стальные плиты вне грунта изолированы теплоизоляционным материалом с внутренней и с наружной сторон. Благодаря теплопритокам из постоянного источника тепла в грунте вертикальные стальные плиты имеют в зимнее время более высокую поверхностную температуру, чем температура окружающей среды, вследствие чего уменьшается температурный напор на внутреннем слое теплоизоляции и снижаются теплопотери здания. Данное изобретение по совокупности признаков является прототипом заявленного устройства тепловой изоляции зданий и сооружений.
Недостатками прототипа является отепление грунта в летнее время и, как следствие, невозможность применения в зонах вечной мерзлоты.
Технической задачей предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом предлагаемого устройства является снижение потерь тепла через ограждающие конструкции здания, снижение потребления энергоресурсов на отопление с одновременным снижением вредных выбросов в окружающую среду (тепловой энергии, углекислого газа, окислов азота).
Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в заявленном устройстве тепловой изоляции зданий и сооружений, содержащем теплоизоляционно-строительные материалы и холодильную установку с компрессорно-конденсаторным блоком и испарительным блоком, компрессорно-конденсаторный блок размещен в отапливаемом помещении, снабженном системой отопления, а испарительный блок выполнен в виде плоских оребренных трубчатых или листотрубных испарителей, снабжен регулятором давления кипения хладоагента, установлен снаружи теплоизоляционного слоя ограждения здания, подключен к компрессорно-конденсаторному блоку, а регулятор давления кипения настроен на температуру кипения хладоагента, близкую к температуре наружного воздуха. При этом отапливаемое помещение снабжено системой автоматического регулирования температуры воздуха путем изменения теплопроизводительности системы отопления, которая может быть снабжена воздушным или водяным контуром передачи тела в отапливаемое помещение, содержать котлы на углеводородных видах топлива, водяные или электрические воздухонагреватели, а также отапливаемое помещение может содержать наружные блоки систем кондиционирования.
Технический результат изобретения заключается в создании устройства тепловой изоляции зданий и сооружений, обеспечивающего существенное снижение энергопотребления путем возврата внутрь здания части теплопотерь, равной холодопроизводительности холодильной установки.
Причиной целесообразности использования предлагаемого устройства тепловой изоляции зданий и сооружений является потребность в снижении потребления энергоресурсов на отопление зданий и сооружений с одновременным снижением экологической нагрузки на окружающую среду в виде выбросов тепловой энергии и вредных веществ в соответствии с Государственной политикой РФ в Арктике на период до 2035 года.
Достоинствами заявленного устройства тепловой изоляции зданий и сооружений являются:
- снижение тепловых потерь зданий и сооружений через теплозащитные ограждения,
- снижение затрат энергоресурсов на отопление зданий и сооружений,
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду,
- возможность сделать сооружение невидимым для приборов ночного видения, что в условиях полярной ночи может быть использовано для маскировки объектов,
- возможность встраивания предлагаемого устройства тепловой изоляции в системы отопления и кондиционирования здания или сооружения,
- возможность рекуперации тепловых потерь зданий и сооружений через ограждения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком. На рисунке представлена схема заявленного устройства тепловой изоляции здания. На рисунке обозначены:
отапливаемое помещение здания 1, компрессорно-конденсаторный блок 2, несущая наружная стена здания 3, клеевой слой 4, теплоизоляционный слой 5, штукатурный слой 6, испарительный блок 7, декоративные облицовочные панели фасада 8, медная теплораспределительная панель испарительного блока 9, коллекторы 10, медные трубы 11, терморегулирующий вентиль 12, установленный на жидкостной линии хладонопроводов 13, регулятор давления кипения 14, установленный на паровой линии хладонопроводов, фитинги 15 для соединения соседних испарительных блоков, направление потока горячего воздуха из компрессорно-конденсаторного блока показано сноской 16.
Устройство работает следующим образом.
Во время отопительного сезона (холодный период года) включают компрессорно-конденсаторный блок 2, соединенный двумя хладонопроводами 13 с коллекторами 10 испарительного блока 7, и поддерживают в них с помощью автоматически работающего регулятора давления кипения 14 температуру кипения хладоагента, равную или близкую к температуре наружного воздуха.
При температуре воздуха внутри здания +20°С и температуре наружного воздуха, например, минус 20°С тепловой поток через несущие стены 3, клеевой состав 4, слой тепловой изоляции 5 и штукатурный слой 6 пропорционален площади стен, коэффициенту теплопередачи и разности температур, в данном примере равной 40°С.
Все тепло этого теплового потока передается в процессе теплопередачи испарительному блоку 7 и расходуется на кипение хладоагента, пары которого затем уносят поглощенную энергию в компрессорно-конденсаторный блок 2, и далее тепло передается (сноска 16) внутреннему воздуху отапливаемого помещения 1. Таким образом, тепло внутреннего воздуха, ушедшее сквозь стену здания, перехватывается испарительным блоком 7 и возвращается внутрь отапливаемого помещения 1, снижая тем самым тепловую нагрузку на систему отопления. В то же время наружная поверхность стены здания, состоящая из облицовочных панелей 8, имеет равные температуры с внутренней и внешней сторон (минус 20°С), и по этой причине тепловой поток из здания наружу через поверхности, закрытые испарительным блоком 7, равен нулю (!).
Пример 1
reg
2
В данном примере толщина теплоизоляционного слоя 5 (пенополистирола) определена в соответствии с СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», и значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций равно: R =6,4 м⋅°С / Вт. В качестве компрессорно-конденсаторного блока 2 холодильной установки выбран агрегат FG/FS-665 SZ отечественного производства, холодопроизводительность 16 кВт, температура кипения до - 40°С. Допустим, что в непосредственной близости от здания или сооружения датчики температуры фиксируют отрицательную температуру наружного воздуха минус 20°С, в то время как внутренняя температура воздуха равна плюс 20°С.
В этом случае регулятор поддерживает в испарителях температуру кипения хладоагента минус 20°С. При этом тепловой поток сквозь тепловую изоляцию здания соответствует нормативным требованиям, но все теплопотери передаются испарительному блоку 7 и далее с парами хладоагента возвращаются внутрь здания в отапливаемое помещение 1 через компрессорно-конденсаторный блок, что снижает нагрузку на систему отопления. Важно, что в данном примере температура наружного воздуха и температура на внешней поверхности испарительного блока 7 равны, и по этой причине тепловой поток от здания в окружающую среду равен 0.
Следовательно, теплообмен между наружной средой и стеной здания исключен (температурный напор равен 0), что приводит к положительному эффекту:
- снижается расход энергии на отопление здания,
- снижается экологическая нагрузка на окружающую среду,
- осуществляется рекуперация тепловых потерь здания через ограждения с возможностью перераспределения тепла внутри здания,
- затруднено обнаружение здания (объекта) средствами ночного видения.
Примечание: при температурах наружного воздуха ниже нижней границы рабочего температурного диапазона компрессорно-конденсаторного блока его выключают, а теплозащита здания характеризуется нормативными параметрами.
Пример 2
Для зданий, расположенных в климатических подрайонах России 1А, 1B, 1Д, IIБ, IIB, IIГ и в климатических районах III и IV со среднемесячной температурой воздуха в июле от 20°С и выше данный пример иллюстрирует дополнительные достоинства предлагаемого устройства.
reg
2
Технические параметры тепловой изоляции остаются прежними: нормируемое значение сопротивления теплопередаче равно R=6,4 м⋅°С / Вт.
В качестве компрессорно-конденсаторного блока снова выбран холодильный агрегат FG/FS-665 SZ. Допустим, что в непосредственной близости от здания или сооружения датчики температуры фиксируют положительную температуру наружного воздуха плюс 5°С, в то время как нормативная внутренняя температура воздуха остается прежней: плюс 20°С.
В этом случае система автоматического управления меняет режим работы холодильной установки: поддерживает в испарительном блоке температуру кипения хладона, которая на 5-10°С ниже температуры окружающей среды, например, минус 5°С. При этом тепловой поток через теплозащитное ограждение здания к поверхностям теплораспределительной пластины 9, коллекторов 10 и труб 11 пропорционален температурному напору 25°С, а тепловой поток от окружающей среды к этим же элементам испарительного блока пропорционален температурному напору 10°С.
Тепловая энергия этих двух потоков объединяется в испарительном блоке и передается с парами хладоагента в компрессорно-конденсаторный блок, где выделяется внутри отапливаемого помещения здания и может быть использована для отопления основных или вспомогательных помещений, например, теплиц.
В данном примере экономический эффект еще более значителен:
- снижается расход энергии на отопление здания за счет тепла окружающей среды,
- снижается расход энергии на отопление здания за счет исключения тепловых потерь,
- снижается экологическая нагрузка на окружающую среду,
- осуществляется рекуперация тепловых потерь здания через ограждения с возможностью перераспределения тепла внутри здания.