CC BY
17
УДК 624.1; 624.9; 627.4; 627.5 © А.В. Куликов, П.А. Аббасов, 2014
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
Предложено решение ограждающей конструкции жилых зданий, использующее принцип раздельного энергоснабжения вкупе с системой пассивной гелиотеплозащиты. Предлагается инженерное решение такой конструкции с описанием ее особенностей.
Ключевые слова: ограждающая конструкция, термическая и вентиляционная системы, рекуперация, система с лучепрозрачным экраном, базовый и компенсационный контуры, тепловой поток, гелиотеплозащита.
Изначально микроклимат помещения характеризуется несколькими параметрами, которые условно можно разделить на:
• имеющие отношение к внутреннему воздуху (температура, влажность, скорость движения, чистота, скорость обновления);
• имеющие отношение к ограждающей конструкции (радиационная температура ее внутренней поверхности).
Большая часть перечисленных параметров касается самого воздуха, и только один — температура самого ограждения — существует постольку, поскольку ограждающая конструкция создает разграничение между внутренней и внешней средами.
Таким образом, в системе энергообеспечения здания следует выделить две различные системы: вентиляционную и термическую. Вентиляционная система отвечает за поддержание нормативных параметров внутреннего воздуха, а также выполняет функцию теплосбережения уходящего из помещения воздуха (при использовании приточно-вытяжных вентиляционных установок с рекуператорами). Что касается термической системы, то ее основная задача — поддержание температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции, а также граничного слоя воздушной среды, прилегающей к ней.
При проектировании перечисленных систем нужно помнить о санитарно-гигиенических нормах, касающихся разности температур внутренней поверхности ограждающей конструкции и внутреннего воздуха. Например, существуют зависимости темпе-
ратуры воздуха от скорости его движения, а также абсолютное ограничение на скорость циркуляции воздуха для жилых зданий (не более 0,2 м/с).
Считается, что суммарная температура поверхности и воздуха должна составлять 38 °С. При этом предполагается, что 1;(воздуха) = 20 °С, а ^поверхности) = 18 °С. Впрочем, суммарную температуру можно обеспечить и другим сочетанием: 21 °С /17 °С или 22°С/16 °С. Однако, в рассмотренной коррекции значений температуры нельзя нарушать дополнительных условий по максимальной разности температур. Например, температура стены в жилых зданиях не должна отличаться от температуры воздуха более чем на 4 С — в противном случае происходит достаточно интенсивное тепловое излучение между телом человека и поверхностью стены. Его называют «холодным излучением» или «негативной радиацией». Если разница температур составляет 6 °С, то ощущение холода теряется только на расстоянии 0,75 м от стены.
Коррекция температур сред позволяет в некоторых границах изменять интенсивность теплообмена между внутренним воздухом, материалом стены, и внешней средой, что позволяет сэкономить на энергообеспечении. Кроме того, такие манипуляции в случае поквартирного регулирования позволяют настроить микроклимат помещения «под хозяина».
Стоит отметить, что тело человека также выделяет теплоту, причем количество этой теплоты зависит от его деятельности — в среднем от 80 до 140 Вт. В связи с этим допустимо повышать ночью температуру воздуха (компенсируя тем самым пониженное тепловыделение человека во время сна), а температуру стен понижать, руководствуясь максимальной разницей температур в 4°С (или больше — в зависимости от персональной восприимчивости к негативной радиации) — это позволит снизить интенсивность теплового потока между массой ограждения и наружной средой, и, таким образом, сэкономить на обогреве теплоемкого материала стены. Что касается вентиляционной системы, то, повышая температуру воздуха, можно понизить интенсивность его рециркуляции, что вкупе с использованием рекуператора-теплообменника позволит также сэкономить на обогреве воздуха.
~ ЯГС
темп, еоздулэ
темп огрэзд-я
ночь
день
Рис. 1. Изменение температуры ограждения и внутреннего воздуха в цикле «ночь-день-ночь»
Итак, температура ограждения, а также поступающего в помещение воздуха, должна изменяться в соответствии с некоторой функцией, позволяющей снизить суммарные энергопотери в границах, определяемых санитарно-гигиеническими нормами. На рис. 1 показан пример изменения температуры воздуха и ограждения с учетом максимальной разницы в 6 °С.
Понятно, что задача расчета такой конструкции — интегральная, синтетическая. Здесь необходимо как теоретическое, так и практическое моделирование, которое позволит выявить и сравнить эффективность принятых технических решений. Многое зависит от КПД как системы вентиляции, так и самой ограждающей конструкции. Очевидно, что обе этих системы (вентиляционная и термическая) — должны работать совместно.
В целом вся схема расчета должна опираться на расчет, выполненный моделированием на исторических данных по климату. Важным свойством системы должна стать способность к самостоятельной настройке по фактическим теплопотерям, и это — задача специальной управляющей программы.
Рассмотренная схема, подразумевающая четкое разделение термической и вентиляционной систем, обладает важной особенностью: энергообеспечение ограждающей конструкции касается исключительно самой конструкции; нагревательные элементы стены находятся в ее толще и взаимодействуют напрямую только с материалом стены, но никак не с внутренней воздушной средой помещения (взаимодействие со средой происходит опосредованно — через граничную поверхность ограждающей конструкции). Техническая реализация такой концепции несколько сложна, однако ее несомненный плюс — прогнозируемость и однозначное
удобство в контроле и управлении. Устройство такой системы подразумевает более высокие начальные затраты и повышенную трудоемкость возведения. В то же время, ее эксплуатационные затраты существенно ниже; действительно, при равномерном расположении в плоскости стены нагревательных элементов централизованной системы отопления тепловое поле ограждения становится более равномерным, что позволяет снизить температуру теплоносителя (нет необходимости перегревать часть стены, для того чтобы добиться минимальной требуемой температуры у ее удаленных частях, например, на потолке и в простенках). Следствие — экономия за счет снижения теплопотерь на доставке теплоносителя конечному потребителю, а также существенное повышение долговечности всех систем.
Для сравнения, в настоящее время стены прогреваются не по всей поверхности, а точечно, периметрально — в нижней части. Минусы такого подхода очевидны — неравномерный прогрев стен приводит к выпадению конденсата внутри охлажденных участков — и, как следствие, к образованию грибка; конструкции отсыревают и разрушаются. Кроме того, при таком устройстве ограждения нет разделения функций вентиляции и ограждения; из-за опосредованного влияния внутренней воздушной среды на внутреннюю граничную поверхность стены и очевидной зависимости температур этих сред теряется возможность раздельного учета и коррекции температур воздуха и ограждающей конструкции.
Выявление степени эффективности того или иного технического решения — комплексная задача, где на первый план выходят понятия трудоемкости и целесообразности. Оптимальное решение конструкции ограждения может быть получено только в результате всестороннего исследования на модели.
Цель такого исследования — выявление характера и особенностей влияния интегральных климатических условий на поведение ограждающей конструкции, разработка конкретизированной теоретической расчетной модели поведения теплового поля такой конструкции в условиях, включающих в себя комплексное воздействие климатических факторов (температура воздуха, скорость ветра, радиационные воздействия) и характера энергообеспечения.
Подобное исследование позволит сделать вывод о порядке энергообеспечения (мерах по поддержанию требуемого теплового градиента в конструкции ограждения). Здесь речь не о выявлении плюсов и минусов существующих систем, а о выработке принципиальной схемы, оптимальной с точки зрения проблем конструирования, установки и эксплуатации, и обоснование режима ее работы.
Определив границы работы ограждающей конструкции, рассмотрим возможные режимы ее функционирования.
Во многом конструкция и работа ограждения определяется зимним сезоном. В этом контексте должен подразумеваться дневной и ночной режимы работы. Логично разместить в ограждении два контура — основной (работающий всегда) и компенсационный (включаемый ночью).
Основной (базовый) контур подразумевает постоянную работу на некотором среднем уровне. Для этой цели подходит существующая централизованная система водяного теплоснабжения. Работа такой системы будет происходить в фоновом режиме, и контроль температуры теплоносителя может производиться напрямую из компании-поставщика услуг теплоснабжения. Задача данного контура — поддержание необходимого уровня температуры в толще ограждающей конструкции, т.е. создание базовых микроклиматических условий в помещении.
Задача компенсационного контура энергоснабжения — нивелирование ночных колебаний температуры воздуха. Такой контур удобно сделать электрическим, поскольку именно на него возлагается задача по оперативному прогреву ограждающей конструкции.
Конструктивное исполнение описанных контуров допускает разные варианты исполнения.
Базовый контур, представляющий собой трубчатый теплообменник, необходимо разместить непосредственно в конструкции стены. Требования к его инженерному решению определяются возлагаемой на него задачей по постоянному и равномерному прогреву конструкции. Такой контур должен быть максимально долговечным и стойким к коррозии, перепадам давления, а также обладать высокой гибкостью и минимально возможным коэффициентом линейного расширения собственного материала. Более
Рис. 2. Монтаж теплообменника базового контура в горизонтальном направлении; вертикальный участок позволяет нивелировать последствия изменения длины трубопровода при температурных колебаниях
того, должна существовать возможность оперативной замены поврежденных участков такого теплообменника в случае его разгерметизации. Решить такую задачу технически нетрудно, однако трудозатраты на монтаж подобной системы будут всегда превышать трудозатраты на монтаж обычных радиаторов центрального отопления (при примерно одинаковой стоимости такой системы по материалам, что объясняется экономией на дорогостоящих радиаторах).
Кроме того, размещение теплообменника внутри стены влечет за собой необходимость поуровневой монтажной развязки трубопроводов. Существует два очевидных варианта размещения труб теплообменника в стенах — горизонтальный (рис. 2) и вертикальный (рис. 3).
Горизонтальная развязка трубопроводов позволяет эффективно вывести концевые участки в отдельную шахту, что упрощает поэтажный монтаж самого контура (сделать это можно в любой точке плана). Минус такого варианта размещения заключается в необходимости предусматривать горизонтальные ниши вдоль стен, что может привести к их утолщению. Такой вариант также позволяет скрыть трубы в толще стены, однако в этом случае исключается возможность их замены.
Рис. 3. Монтаж теплообменников базового контура в вертикальном направлении; трубы располагаются в специальных нишах фигурных несущих блоков (выполненных из легкого бетона на пористых заполнителях), что упрощает их монтаж и оперативную замену в случае протечек.
Вертикальная развязка трубопроводов позволяет эффективно использовать пространство самого ограждения, поскольку трубы размещаются в вертикальных нишах, чередуясь с несущими участками стены. Однако в этом случае усложняется монтаж развязок концевых участков труб — ее необходимо производить по верхнему или нижнему уровню периметра стен. Такой вариант размещения теплообменника больше подходит для малоэтажного строительства, поскольку здесь удачно решается задача монтажа контура в несущих стенах.
Компенсационный контур энергоснабжения также можно расположить в конструкции стены. Поскольку по окончанию монтажа такой контур не требует дальнейшего обслуживания, его можно вмуровать в ограждающую конструкцию еще на стадии возведения несущих конструкций.
Однако есть и другой вариант, подразумевающий возложение функций компенсационного контура на базовый. Действительно, поскольку в стене уже есть теплообменник, контроль температуры ограждения может происходить за счет изменения температуры теплоносителя «на месте», т.е. непосредственно для данного помещения или квартиры. Т.о., устройство компенсационного контура сводится к установке одного или нескольких электрических модулей подогрева в схему подготовки теплоносителя базового контура.
Полученную двухконтурную ограждающую конструкцию можно модернизировать с помощью наружного одно- или многослойного остекленного покрытия, называемого стеной с луче-прозрачным экраном (СЛЭК). СЛЭК представляет собой третий контур, задача которого заключается в посильном уменьшении скорости теплового потока, проходящего через ограждение за счет воспринимаемой им прямой и рассеянной солнечной радиации. Другими словами, СЛЭК является пассивной солнечной системой энергообеспечения.
Конструктивно СЛЭК состоит из слоя селективного покрытия, закрытого одним или несколькими слоями стекла. Падающее на поверхность СЛЭК коротковолновое излучение проходит через наружное остекление и поглощается селективным покрытием. Длина волны отраженного от селективной поверхности излуче-
ния увеличивается, и многослойное остекление задерживает его в пространстве СЛЭК до полного поглощения его поверхностью ограждения. Селективное покрытие является наружной поверхностью массы ограждающей конструкции, и в наиболее простом варианте исполнения представляет собой стальной лист, выкрашенный черной матовой краской или другим материалом с высокой степенью поглощения излучения.
Существует несколько вариантов размещения СЛЭК в конструкции ограждения, характеризуемые разной степенью защищенности селективного покрытия и связанной с ним тепловой массы ограждения от воздействия солнечной радиации. Задача СЛЭК во всех вариантах — создание гелиотеплозащиты ограждения в период интенсивного облучения, дополнительная защита от теплопотерь.
Один из способов реализации идеи защищенного расположения СЛЭК — применение светопрозрачного утеплителя. Такой утеплитель должен обладать некоторыми очевидными характеристиками:
• быть легким (полимер);
• быть максимально светопрозрачным;
• обладать крупнопористой структурой;
• иметь незамкнутые поры для вентиляции.
Такой слой можно назвать утеплителем с большой оговоркой, поскольку фактически эта структура заменяет собой слишком широкую воздушную прослойку между стеклом и тепломас-сой и несет на себе не только функции утепления.
Задачей этого слоя является предотвращение конвекционных токов в прослойке. Простейший, но тяжелый вариант светопрозрачного утеплителя - последовательно расположенные друг за другом на расстоянии не более 20мм слои стекла или светопро-зрачного пластика в блоках.
Плюсы внешнего незащищенного расположения СЛЭК -максимальное восприятие излучения, но серьезный минус - почти мгновенное остывание слоя при отсутствии излучения.
В отличие от него, вариант внешнего защищенного расположения СЛЭК позволяет максимально защитить прогретую тепло-массу от потерь за счет теплопередачи.
Наиболее естественный компромисс - расположение СЛЭК в средней части слоя утеплителя. С одной стороны, это позволяет воспользоваться обычным стеклом для создания многослойного светопрозрачного утеплителя, а с другой стороны - разделить тепловую массу и массу стены во избежание сильных тепловых перепадов. Это особенно актуально в случае, когда внутренняя стена должна быть как можно легче и тоньше (ненесущая стена).
Выявление оптимального варианта расположения СЛЭК -задача компьютерного моделирования. Решение этой задачи другими способами нерационально, поскольку область возможных решений находится в сфере одновременного действия нескольких косвенно связанных факторов. Особое внимание при разработке оптимального ограждения необходимо уделить проблеме образования конденсата и вентиляции слоев утеплителя (в т.ч. свето-прозрачного) и тепловой массы, поскольку многослойное ограждение также несет на себе функцию защиты тепловой массы и внутренней структуры стены от попеременного замораживания/ оттаивания, наносящего значительный ущерб строительным конструкциям.
Слою СЛЭК отведено вполне конкретное место в общей схеме теплообеспечения. Задача СЛЭК - не только компенсация дневных теплопотерь ограждения, но и достаточная теплозащита в вечернее время и первые ночные часы - до включения компенсационного контура. Этим требованием определяется степень тепловой инерции тепломассы и ее тепловой защищенности.
С архитектурной точки зрения СЛЭК целесообразно располагать так, чтобы на фасаде читались горизонтальные либо вертикальные полосы стекла фасадного слоя. При этом полосы окон с подоконными и надоконными участками целесообразно визуально выделять и решать в традиционной схеме - например, в кирпичной кладке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дж.А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.: Мир, 1977. — 410с.
2. Сафронов В.К. Наружные ограждения зданий с лучепрозрачным экраном в условиях юга Дальнего Востока. — Владивосток, 1990. — 297с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Куликов Алексей Владимирович — ассистент кафедры Гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, [email protected]. Аббасов Пулат Аббасович - доктор технических наук, профессор, академик РААСН, профессор кафедры строительства и управления недвижимостью Инженерной школы ДВФУ, e-mail: [email protected]
UDC 624.1; 624.9; 627.4; 627.5
ENERGY EFFICIENT ENCLOSING CONSTRUCTION PROBLEM STATEMENT
Kulikov A.V., Assistant of Offshore & Structural Engineering Dept. FEFU, School of Engineering, e-mail: [email protected], Russia,
Abbasov P.A., Doc., Professor, Department of Construction and Management of Real Estate, Engineering school, FEFU, e-mail: [email protected], Russia.
An engineering solution of the enclosing construction of residential buildings is considered in this paper. This construction uses the principle of power supply separation, coupled with a system of passive solar heat protection. A specific engineering design with the description of its features is offered.
Key words: enclosing construction, heat and ventilation systems, heat recovery system, ray transparent screen, basic and compensative circuit, heat flow, solar heat protection.
REFERENCES
1. Dzh.A. Daffi, U.A. Bekman. Teplovye processy s ispol'zovaniem solnechnoj jenergii (Solar engineering of thermal processes). Moscow: Mir, 1977. 410 p.
2. Safronov V.K. Naruzhnye ograzhdenija zdanij s lucheprozrachnym jekranom v us-lovijah juga Dal'nego Vostoka (External fences of buildings with the ray transparent screen in Southern Far East). Vladivostok, 1990. 297 p.
