CC BY
38—-----ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 697.92
В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, руководитель лаборатории теплового и воздушного режима зданий, окон и дверей, ОАО «ЦНИИЭПжилых и общественных зданий»; В.А. ЛОБАНОВ, заслуженный строитель РФ, руководитель испытательной лаборатории теплофизических и акустических измерений, НИИСФ РААСН; Т.А. АХМЯРОВ, главный специалист, ГУПМНИИТЭП(Москва)
Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла
Представлены результаты испытаний экспериментального образца вентилируемого окна, которые показывают возможность создания типового оконного блока при вентиляции без теплоотражающего экрана с сопротивлением теплопередаче более 1,1 м2°С/Вт, при вентиляции с теплоотражающим экраном почти как у стен более 2-3 м2°С/Вт. Испытания проводились в диапазоне расхода воздуха 15-31 м3/ч на 1м2 остекления оконного блока. Решены основные вопросы по конструкциям вентилируемых окон. С дополнительной утилизацией тепла вентвыбросов будут уменьшены основные виды теплопотерь зданий. Определены принципы функционирования и создания такой вентиляции.
Ключевые слова: наружные ограждающие конструкции зданий, энергоэффективные вентилируемые окна, теплообменники с обменом тепла и влаги, рекуперация трансмиссионного, радиационного и вентиляционного тепла, теплохладоаккумуляция.
Задача создания современной энергоэффективной системы вентиляции, обеспечивающей комфортный микроклимат в помещениях, очень актуальна для энергосберегающего домостроения. В настоящее время на нагрев поступающего свежего воздуха, идет 40 - 70% от затрат на отопление здания.
Существующая система с естественным побуждением приточно-вытяжной вентиляции жилых и общественных зданий типовых серий имеет проблемы, которые хорошо известны и фактически привычны для большинства жителей, испытывающих постоянный дискомфорт из-за некачественного воздушного режима помещений. Поэтому является перспективным разработать гибридную естественно-механическую систему вентиляции, когда основное побуждение для движения воздушных потоков будет создаваться разностью давлений с внутренней и внешней сторон наружных ограждений зданий, обусловленных ветром и скоростью изменения внешнего давления, а также действием дополнительных устройств, которые будут использовать вторичные энергоресурсы и нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
В основу работы по созданию децентрализованной приточно-вытяжной системы вентиляции на базе энергоэффективных вентилируемых окон и теплообменников (рис. 1) положена система «активного» энергосбережения для утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Используются методы рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения (1-й этап) и дополнительная утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги (2-й этап).
На 1-м этапе решается задача повышения уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций, а также повышения уровня комфортности микроклимата помещений
с кратностью воздухообмена не ниже нормируемого. В качестве способа повышения теплозащиты окон исследовали применение энергоэффективных вентилируемых окон, сочетающих в себе возможность вентиляции с высоким уровнем теплозащиты.
В результате работ [1-5], в ранее выполненных экспериментах ЦНИИЭП жилища, полученное значение условного сопротивления теплопередаче двухслойного вентилируемого окна с теплоотражающим экраном по выходящим тепловым потокам составило R = 2,27 м2оС/Вт при поперечно-диагональной вентиляции межстекольного пространства наружным воздухом.
Испытательной лабораторией теплофизических и акустических измерений НИИСФ РААСН совместно с ООО «Юниделл», ЦНИИЭП жилища и МНИИТЭП проведены теплотехнические испытания экспериментального образца энергоэффективного вентилируемого окна, в котором для повышения уровня теплозащиты применяется метод рекуперации теплового потока внутрь помещения. Тепло, уходящее ранее в атмосферу, возвращается в помещение с потоком входящего наружного воздуха, используемого для вентиляции [6].
Целью проведенных экспериментальных исследований являлась оценка уровня теплозащиты окна в зависимости от параметров совмещенного тепломассообмена, в условиях стационарного режима передачи тепла и массы воздуха. Оценивалось влияние параметров проходящего воздушного потока и типов теплоотражающих экранов на уровень теплозащиты энергоэффективного вентилируемого окна (ЭВО).
Общая схема устройства и принцип работы вентилируемого окна представлены на рис. 2. В рамных элементах слоёв остеклений выполняются специальные отверстия или щели для регулирования проходящего воздушного потока. Во внешнем воздушном промежутке располагается тепло-
Рис. 1. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции на базе энергоэффективных вентилируемых окон и теплообменников. Планируемая экономия энергии на отопление здания 50—60%. Отопление — центральное и тепловые насосы
отражающий экран. Теплоотражающий экран предназначен для отражения радиационной составляющей выходящего теплового потока, может быть выполнен в виде жалюзи известной конструкции, например из алюминия, а также те-плоотражающего покрытия на слое остекления или пленке.
Предлагаемая система активного энергосбережения в ЭВО состоит в особой организации условий поступления и прохождения воздуха через конструкцию. Холодный наружный воздух входит вначале во внешний воздушный промежуток между наружным остеклением и теплоотражаю-щим экраном, максимально охлаждая все поверхности и слои, которые могут передавать тепло в атмосферу. Затем воздушный поток посредством поперечно-продольной инфильтрации диагонального типа последовательно проходит преимущественно по диагонали остальные воздушные промежутки, нагреваясь теплом, поступающим из помещения. В результате резко снижаются потери трансмиссионного и радиационного тепла в атмосферу. Тепло возвращается в помещение с поступающим наружным воздухом. При этом существенно снижаются затраты тепла на нагрев до комфортной температуры поступающего в помещение необходимого нормируемого количества воздуха и в конечном итоге затраты на отопление помещения.
В качестве экспериментального образца энергоэффективного вентилируемого окна была разработана и изготовлена сборная конструкция одностворчатого деревянного окна с трехслойным листовым остеклением (рис. 3).
Для удобства измерений разработанная конструкция экспериментального образца оконного блока имеет все
Рис. 2. Схема вентилируемого окна с направлением движения наружного воздуха: 1 — внешнее остекление; 2 — внутреннее остекление; 3 — промежуточное остекление; 4 — наружное межстекольное пространство; 5 — внутреннее межстекольное пространство; 6 — входные отверстия; 7 — вентиляционные отверстия; 8 — выходные отверстия; 9 — обратный клапан; 10 — козырек; 11 — оконная коробка; 12 — регулирующее устройство входного воздуха; 13, 14 —регулирующие устройства; 15— отлив, 16 — теплоотражающий экран (жалюзи);-э»направление движения наружного воздуха.
створчатые элементы, открывающиеся внутрь или наружу помещения. Створчатые элементы выполнены изнутри спаренными, снаружи установлена одинарная рама на относе 98 мм. В межрамном пространстве предусмотрена возможность установки сменных регулируемых теплоотражающих экранов. Остекление рам энергоэффективного вентилируемого окна выполнено с устройством щелей 18 мм во всех створках. У рамы со стороны холодной части щель находится в нижней части, а у спаренных рам в верхней части. Изнутри окна ширина щелей регулировалась заслонками или соплами. С двух сторон окна щели герметично закрыты стандартным вентиляционным коробом из поливинилхлори-да сечением 55X110 мм. У каждого короба на одном торце стоит воздухонепроницаемая пробка, на противоположном торце имеется возможность для подключения расходомера и канальных радиальных вентиляторов. В экспериментах использовались вентиляторы малой мощности 9-14 Вт (100 ВКО ВЕНТС). Вентиляторы моделировали ветровую нагрузку и вытяжную тягу системы вентиляции в здании.
Испытания оконного блока проведены в модернизированной климатической камере ЭК-10 НИИСФ РААСН, позволявшей моделировать процесс совмещенного тепломассообмена посредством одновременного создания перепада температуры и давления воздуха на наружной и внутренней поверхностях экспериментального образца.
—-----ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Наружная рама
©
ОН
, Средняя рама
1и ОС 9-9 ГОСТ 11214-66
Короб ПВХ55х110 м вход наружного воздуха
Внутренняя рама ОС 9-9 ГОСТ 11214-86
Рис. 3. Схема экспериментального образца ЭВО
Измерения сопротивления теплопередаче проведены по ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче». Температура при испытаниях составляла в холодном отсеке климатической камеры -28оС и в теплом отсеке климатической камеры +19оС. Датчики температуры и теплового потока размещались на поверхностях остекления оконного блока и в воздушном пространстве по вертикальной и горизонтальной осям в центрах однородных температурных зон. Для получения более полной информации о теплопередаче в
6
4
2
01 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Рис. 4. Сопротивление теплопередаче R светопрозрачной части при различных вариантах исполнения оконного блока и параметров экспериментальных исследований
ЭВО дополнительно устанавливались датчики температуры внутри конструкции и датчики на наружной поверхности остекления оконного блока, откалиброванные для проведения измерений в зоне отрицательной температуры. В последующих расчетах использовались результаты измерений в областях оконного блока, свободных от влияния краевых эффектов. Результаты измерений в области краевых эффектов использовались при анализе процессов в целом.
Для измерения расхода воздуха через ЭВО использовались расходомеры с диаметром входного канала 100 мм. Расходомер размещался на выходе из ЭВО в теплом отделении климатической камеры.
Для определения общего характера движения воздушного потока устанавливались датчики визуализации потока по 1 шт на площади 0,07X0,01 м. Направление воздушных потоков корректировалось соплами, установленных на щелях, и вентиляторами, установленными на притоке или вытяжке воздушного потока.
Результаты испытаний экспериментального образца энергоэффективного вентилируемого окна сведены в таблицу и представлены на гистограмме (рис. 4).
Варианты исполнения экспериментального образца оконного блока и основные параметры исследований
8
Наличие теплоотражающего экрана Наличие вентилятора Приток воздуха, м3/час Температура приточного воздуха, оС Сопротивление теплопередаче оконного блока, м2оС /Вт Примечание
Нет Нет 0 Нет притока 0,6 Вентиляции нет
Жалюзи из алюмин. фольги Нет 0 Нет притока 0,87 Вентиляции нет
Нет На притоке 22 -6,6 1,16 Принудительный приток воздуха
Нет На притоке 20,5 -8,9 1,38 Принудительный приток воздуха
Жалюзи с гориз. алюмин. ламелями На притоке и на вытяжке 30,8 -11,3 1,96 Принудительный приток и вытяжка воздуха
Жалюзи с гориз. алюмин. ламелями На вытяжке 16,3 -1,2 2,1 Принудительная вытяжка воздуха
Жалюзи с гориз. алюмин. ламелями На притоке 19,1 -5,5 2,25 Принудительный приток воздуха
Жалюзи с гориз. алюмин. ламелями На вытяжке 19,7 -4,4 2,92 Принудительная вытяжка воздуха
Жалюзи из алюмин. фольги На притоке 22 -7 4,9 Принудительный приток воздуха
Жалюзи из алюмин. фольги На притоке 20,6 -6,8 6,7 Принудительный приток воздуха, оптимизировано направление потока
1—1—гт
м
I
1
1 т \
11 I
Теплообменник
Щ-
I
1.1
I
Внутренняя коробка (существующее окно)
тгг
я
V Внешняя коробка
/Приточный наружный воздух Выбрасываемый воздух Ветровые дефлекторы нзноаых принципах эжекции (150 х 750х 500 мм) (вытяжной и поддавливающий)
Рис. 8. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции на базе энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) зданий, теплообменников и тепло-хладоаккумуляторов. Полное самообеспечение здания по энергии. Отопление — тепловые насосы, солнечная энергия (их аккумуляция). Электроэнергия — ветровая, солнечная (их аккумуляция).
Испытания проводились в пять этапов (результаты испытаний по каждому этапу выделены различной штриховкой на гистограмме):
- на 1-м этапе исследовался оконный блок с тройным остеклением без вентиляции оконного блока наружным воздухом (позиция 1) (рис. 5);
- на 2-м этапе добавлялся теплоотражающий экран (позиция 2);
- на 3-м этапе подключалась вентиляция наружным воздухом через оконный блок без теплоотражающего экрана (позиции 3, 4);
- на 4-м этапе с теплоотражающим экраном в виде стандартных промышленных жалюзи с горизонтальными алюминиевыми ламелями белого цвета (рис. 6) исследовалось влияние вентиляции наружным воздухом при вариации параметров воздушного потока (позиции 5, 6, 7, 8);
- на 5-м этапе (позиции 9, 10) использовался теплоотражающий экран в виде рулло-жалюзи из полированной
Рис. 9. Принципиальная схема теплообменника мембранного типа (обмен тепла и влаги
алюминиевой фольги (рис. 7), который более эффективно отражал тепловое излучение и более эффективно разделял наружное межстекольное пространство на две части. При опускании рулло-жалюзи между деревянной оконной коробкой и экраном сохранялись щели, по 20 мм сверху и снизу и 10 мм по бокам. Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность создания светопрозрачных ограждающих конструкций зданий, использующих вторичные энергоресурсы методом рекуперации трансмиссионного и радиационного тепла при поступлении необходимого объема наружного воздуха. Тепло, теряемое ранее, возвращается в помещение с поступающим наружным воздухом.
По результатам теплотехнических испытаний экспериментального образца энергоэффективного вентилируемого окна установлено, что предлагаемый способ вентиляции конструкции наружным воздухом повышает уровень теплозащиты стандартного окна с трехслойным остеклением в 2,3 раза до 1,38 м2оС /Вт. Основная часть тепла возвращается назад в помещение с входящим наружным воздухом. Наружный воздух с температурой -28оС в результате прохождения через ЭВО прогревался до температуры -1,2- -4,4 оС при входе в помещение. Расход воздуха 15-22 м3/ч на 1м2 остекления оконного блока соответствует комфортному уровню воздухообмена.
Установлено, что дополнительное наличие теплоотра-жающего экрана в наружном вентилируемом межстекольном пространстве повышает уровень теплозащиты до 2,926,7 м2 оС /Вт в зависимости от типа экрана. На уровень теплозащиты ЭВО оказывает влияние наличие, местоположение, тип и покрытие теплоотражающего экрана. В зависимости от параметров экрана увеличение уровня теплозащиты изменяется более чем в два раза.
Приведенные данные получены на основании измерений по тепломерам, установленным на наружной поверхно-
—-----ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
сти остекления оконного блока. Предлагаемые технические решения могут быть реализованы с большинством оконных профилей и светопрозрачных конструкций, изготовленных современным индустриальным способом.
Данный метод может стать одним из вариантов решения проблемы уменьшения теплопотерь через ограждающие конструкции зданий.
При дальнейшем совершенствовании системы на 2-м этапе, с утилизацией тепла вентиляционных выбросов и использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии, может быть достигнут повышенный тепловой эффект.
Ведутся исследования по разработке децентрализованной приточно-вытяжной системы вентиляции на базе энергоэффективных ограждающих конструкций зданий, теплообменников и теплохладоаккумуляторов (рис. 8). Принцип работы системы является аналогичным рассмотренной выше, но дополняется составными частями, которые позволяют функционировать системе с большей энергоэффективностью. Система выполняет:
- рекуперацию вторичных энергоресурсов посредством возврата и утилизации тепла, ранее уходящего в атмосферу, с вентиляционными выбросами и через ограждающие конструкции зданий;
- использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для вентиляции и теплоснабжения;
- использование аккумуляции тепла и холода в зимний, летний и переходный периоды;
- функционирование в различных режимах при изменении внешних условий и требований к выходным параметрам системы;
- обеспечение современного уровня удобства эксплуатации и обслуживания системы;
- обеспечение комфортности микроклимата помещений с повышенным уровнем воздухообмена и звукоизоляции помещений, которые регулируются в ручном и автоматическом режимах в широком диапазоне.
В качестве основных составных частей децентрализованной приточно-вытяжной системы вентиляции на базе энергоэффективных ограждающих конструкций зданий, теплообменников и теплохладоаккумуляторов рассматриваются:
1. Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции (ЭВОК), состоящие из нескольких слоев воздухонепроницаемых материалов с воздушными прослойками. ЭВОК в условиях быстропеременной внешней среды должны функционировать в обе стороны по направлению неравных воздушных потоков как теплообменники-рекуператоры с регулировкой параметров, в ручном и автоматическом режимах. ЭВОК утилизируют трансмиссионное тепло, радиационное тепло и тепло вентиляционных выбросов.
2. Вентиляционные средства (ВС), в которые включены:
а) малогабаритные воздуховоздушные теплообменники, которые могут быть автономными, а также функционирующими совместно с ЭВОК (как доводчики), и встраиваться в строительные конструкции;
б) высокоэффективные воздушные дефлекторы [7], работающие в основном от энергии ветра и других возобновляемых источников энергии, а также маломощных вентиляторов, на новых принципах эжекции [8, 9], для увеличения тяги воздуха в несколько раз, на входе, выходе и внутри систем могут располагаться снаружи и внутри ограждающих конструкций;
в) канальные системы для входа и вытяжки воздуха, разводки внутри помещений, которые могут располагаться внутри и снаружи наружных ограждений, перекрытий, внутренних перегородок, полов, подвесных потолков и т. д., работающие в режиме обмена тепла, влаги, и режиме аккумуляции тепла и холода;
г) вентиляторы, которые применяются в основном для вытяжки воздуха и обеспечивают постоянную необходимую тягу воздушных потоков в отсутствии достаточного естественного побуждения.
3. Система контроля с необходимыми датчиками в воздушных промежутках (температуры, влажности, тепловых потоков, аэродинамических характеристик и т. д.), регистрацией с обработкой адресных сигналов, обработкой состояния внешней среды, метеопрогнозов и т. п.
4. Система управления модулями и составными частями системы, отоплением, теплохладоаккумуляторами, тепловыми насосами, электрическими двигателями и приборами, др. системами, а также изменениями режимов и учетом затрат энергоресурсов (контроллеры и компьютеры с необходимым программным обеспечением). В заключении следует отметить, что рассмотренные системы рекуперации тепла и вентиляции можно отнести к развитию одной общей системы «активного» энергосбережения, которая имеет единую базовую основу - на начальном этапе осуществляется рекуперация теплового потока через наружные ограждающие конструкции (окна и стены). Затем, система «активного» энергосбережения последовательно, согласованно, по этапам должна становиться более эффективной, включая в себя современные достижения по использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов, технологиям, диагностике, автоматике, управлению и т. д.
Список литературы
1. Беляев В.С. Оконный блок. А. с. № 1350313 РФ. Опубл. 30.11.87. Б.И. №41.
2. Беляев В.С., Борисова Н.В. Теория теплового эффекта вентилируемых ограждений. В сб. «Экономия топливно-энергетических и материальных ресурсов». М.: ЦНИИЭП жилища, 1985. С. 101-110.
3. Рекомендации по применению наружных ограждений, утилизирующих тепло. М.: ЦНИИЭП жилища, 1990. 47 с.
4. Беляев В.С., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоэффективных зданий. М.: Высшая школа, 1992. 225 с.
5. Беляев В.С., Кемпер Ф.М. Теплопередача в элементах конструкций зданий с учетом многомерной фильтрации воздуха. В сб. «Эксплуатационные свойства зданий». М.: ЦНИИЭП жилища. 1988. С. 5-25.
6. Ахмяров Т.А. Вентилируемое окно. Патент на изобретение № 2295622. 2007. РФ Опубл. 20.03.2007 Б.И. №8
7. Аркадов Ю.К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. М.:Изд. физико-математической литературы, 2001. 336 с.
8. Аркадов Ю.К., Батура Н.И. Эжекционный способ создания тяги в вентиляционных и дымовых трубах с использованием энергии ветра. Заявка на патент РФ № 2010145485 от 10.11.2010.
9. Аркадов Ю.К., Батура Н.И. Дефлектор ветра для вентиляционных и дымовых труб.
Заявка на патент РФ № 2010145486 от 10.11.2010.
3'2011
77
