CC BY
111
УЕБТЫНС
мвви
УДК 697.13 Ш.З. Усмонов
ФГБОУВПО «МГСУ», ПИТТУ
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭНЕРГИИ НА ОХЛАЖДЕНИЕ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ ТАДЖИКИСТАНА
Рассмотрены основные методы снижения расхода энергии на охлаждение здания в условиях сухого жаркого климата. Определена оптимальная расчетная температура в жилых помещениях в период охлаждения с учетом индексов PMV и PPD. На основании модельных исследований в модернизируемом жилом доме выявлена оптимальная кратность воздухообмена через окна в ночное время для обеспечения комфорта в помещениях.
Ключевые слова: солнцезащитные устройства, коэффициент пропускания солнечного тепла, кратность воздухообмена, комфорт, оптимальная температура, энергоэффективность, расход энергии, Центральная Азия, Таджикистан.
В условиях сухого жаркого климата Центральной Азии одной из важных проблем является снижение расхода энергии на охлаждение жилых зданий.
На примере крупнопанельного жилого дома серии 105, построенного в 1980-х гг. в г. Худжанде, рассмотрены энергозатраты на охлаждение после реконструкции и модернизации дома.
Одним из наиболее распространенных видов ошибок в солнцезащите является применение массивных и теплоемких затеняющих экранов, монолитно связанных с основной ограждающей конструкцией. Такие экраны аккумулируют солнечное тепло и путем теплообмена со стеклом и стеной передают его в помещение. С другой стороны, нередки случаи применения в зданиях систем кондиционирования воздуха при отсутствии солнцезащиты [1].
Недостаточно продуманные решения стационарных солнцезащитных устройств (СЗУ) приводят к отрицательному эффекту. Экраны или лоджии, монолитно связанные с фасадом, превращаются из затеняющего средства в дополнительный источник перегрева помещений. К сожалению, этот вид ошибок весьма распространен в практике [2].
Другой вид ошибок встречается при заполнении светопроемов солнцезащитными изделиями из стекла, пластмасс и пленок. В таких случаях ограничивается связь с внешним пространством, а яркость заполнения при инсоляции нередко превышает допустимую [3].
Исследования показывают, что применение солнцезащитных средств (СЗС) рационально не только в гигиеническом, функциональном, эстетическом, но и в экономическом отношении. Единовременные затраты на эти сооружения окупаются за счет снижения расходов на вентиляцию и искусственное охлаждение воздуха [4].
Для окон можно использовать СЗУ, широко используемые за рубежом, маркизы и алюминиевый роллет (рис. 1), наряду с другими СЗУ, в виде жалюзи, металлических штор, экранов и теплозащитных стекол.
ВЕСТНИК 9/2013
9/2013
а б
Рис. 1. Современные типы СЗУ на внешней стороне окон: а — маркиза; б — роллет
алюминиевыи
Маркизы — альтернатива жалюзи и рулонным шторам. Они устанавливаются на внешнюю сторону оконной рамы и являются наиболее эффективной защитой комнаты от солнца [5]. В жаркую погоду они предохраняют напольные покрытия и мебель от выгорания. Если использование комнатных жалюзи и рулонных штор обеспечивает отражение до 40 % светотепловой энергии солнечных лучей, то с оконными маркизами этот показатель равен 80.. .90 % [6].
Полностью закрывая окна от солнечных лучей, маркизы не препятствуют проникновению воздуха в помещение. Они уже давно стали символом уюта и комфорта во всем мире. Благодаря применению специальных материалов маркизы обладают устойчивостью к нагреву, повышенным уровнем защиты от ультрафиолетовых лучей, не выгорают на солнце, не промокают, не провисают и не подвержены гниению.
Конструкция маркизы позволяет регулировать площадь затенения при раскладывании каркаса. Такой козырек можно опустить или откинуть, создавая тень в нужном месте. Маркизу необходимо опускать полностью, если солнечная радиация превышает 500 Вт/м2.
Монтаж конструкции маркизы производят один раз. При отсутствии надобности в ней, например, в пасмурные дни, маркизу можно сложить.
Маркизы надежны в эксплуатации, легки в управлении, не требуют больших финансовых затрат и предоставляют огромный выбор типов конструктивных решений. Использование маркиз в построенных зданиях даже без дополнительного утепления зданий позволяет на 20,31 % снизить расход энергии на охлаждение зданий.
По результатам исследований на модели жилого дома солнечные тепло-поступления в помещения после замены старых окон на новые герметичные окна с низким коэффициентом пропускания солнечного тепла (SHGC) (0,4) и применения СЗУ в виде маркизы на окнах при западной ориентации зданий снижаются в жаркий период года с апреля по сентябрь на 65 % (с 108288,2 до 37921,5 кВт) (рис. 2).
Обычно для теплотехнических расчетов на летние условия внутренняя температура в помещении принимается +25 °С. Наружная температура в летний период поднимается в северных регионах Таджикистана до 40 °С и выше. При этом разность между внутренней и наружной температурой воздуха составит 15 °С. Такие большие перепады температур, безусловно, отрицательно сказываются на организме человека. К этим резким изменениям организм не успевает адаптироваться. Наиболее чувствительны к температурным перепа-
дам те люди, в организме которых протекает какой-либо патологический процесс. Они чаще других испытывают головные боли, у них меняется давление, обостряются гипертония, атеросклероз и другие болезни. Резкое понижение температуры усиливает нагрузку на нервную, иммунную системы и систему кровообращения, а потому опасно для лиц, страдающих пороками сердца, склерозом сосудов, болезнями почек, разнообразными хроническими заболеваниями воспалительного характера. Физически и эмоционально переутомленные люди труднее переносят смену температуры воздуха.
Рис. 2. Солнечные теплопоступления через окна при западной ориентации зданий
Предпочтительны умеренные колебания температуры воздуха. Они могут рассматриваться как благоприятный фактор, обеспечивающий физиологически необходимую тренировку организма и его терморегуляторных механизмов.
Следует отметить, что люди, находящиеся в зданиях, не изолированных от внешней среды, и в помещениях с пониженными требованиями к комфортности также должны быть защищены от перепадов температуры.
В европейских нормативах, ориентированных в основном на теплые, а не жаркие летние условия, режим охлаждения внутреннего воздуха в жилых помещениях +25 °С считается комфортным.
Исходя из этого для условий северного Таджикистана наиболее оптимальной расчетной температурой в жилых помещениях в период охлаждения можно считать +27 и +28 °С. В сухом жарком климате с низким показателем влажности такие температуры люди переносят хорошо.
В климатических условиях северного Таджикистана период перегрева длится 121...122 дня (суточная амплитуда колебаний температуры достигает 13,5...16,1 °С). В этом регионе целесообразна аккумуляция холода в ночное время.
В жилых зданиях летом рекомендуется смешанный тип эксплуатации окон (днем — закрытый, ночью — открытый). При смешанном режиме эксплуатации принимается периодическая работа кондиционеров.
Помещения должны проветриваться через фрамуги, форточки или другие устройства.
ВЕСТНИК
МГСУ-
9/2013
В зданиях, проектируемых в условиях северного Таджикистана, квартиры должны быть обеспечены сквозным, угловым или вертикальным (через шахты) проветриванием.
По итогам проведенных исследований в модернизируемом жилом доме для снижения расхода энергии на охлаждение и обеспечения комфорта в помещениях необходимо проветривание помещений через окна с обеспечением кратности воздухообмена 2 ч-1 (в мае месяце) в прохладный период суток: с 20 ч вечера до 8 ч утра. В июне месяце в это же время при обеспечении кратности воздухообмена 4 ч-1, а с июля по август в это же время при кратности воздухообмена 8 ч-1.
Только в этих случаях можно обеспечить тепловой комфорт в помещениях и снизить расход энергии на охлаждение.
При этом показатель индекса PMV (Predicted Mean Vote) [7—9], или индекса комфортности по Фангеру составит -0,08 (рис. 3), а PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) [7—9], или ожидаемый процент неудовлетворенных микроклиматом — 9,73 % (рис. 4).
3000 4000 5000 6000 Время от начала года, ч
Рис. 3. Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды после реконструкции и модернизации здания при применении рекуператора с эффективностью 90 % и обеспечении внутренней температуры +24,3 °С в отопительный период и 27 °С в летний период, с периодом охлаждения пять месяцев (май — сентябрь)
Рис. 4. Прогнозируемый процент недовольных температурной среды после реконструкции и модернизации здания
Эти показатели являются приемлемыми и отвечают нормам теплового комфорта согласно стандарту EN 15251 «Исходные параметры микроклимата помещений для проектирования и оценки энергетической эффективности зданий в отношении качества воздуха, теплового комфорта, освещения и акустики» по категории II.
При обеспечении внутренней температуры +27 вместо +25 °С расход энергии на охлаждение после модернизации и реконструкции с применением стеклопакетов с низким коэффициентом пропускания солнечного тепла (SHGC) и маркиз на окнах западной, восточной и южной ориентации составляет 27028,6 кВт-ч, т.е. в процентном отношении при существующей естественной вентиляции дома и кратности воздухообмена за счет инфильтрации 0,3 ч-1 расход на охлаждение снижается на 71,3 % (по сравнению с расходом в 94412,6 кВт-ч).
Уменьшение расхода энергии на охлаждение не снижает комфортных условий в помещениях.
Расход энергии на охлаждение после реконструкции и модернизации с применением маркиз на окнах западной, восточной и южной сторон фасадов при стоимости электроэнергии 0,0224 долл. (1 кВт-ч)
Внутренняя температура (установочная температура), °С Потребляемая энергия на охлаждение, кВт-ч Возрастание (+) / Снижение (-), кВт-ч Стоимость, долл.
24 84394,2 +29726,1 665,86 (возросшие издержки)
25 54668,1 — —
26 39692,5 -14975,6 335,45 (экономия)
27 27028,6 -27639,5 619,12 (экономия)
28 17170,6 -37497,5 839,94 (экономия)
Во время охладительного периода при охлаждении модернизируемого жилого дома при температуре воздуха в помещении +27 °С можно сэкономить на расходе энергии 619,12 долл., а при +28 °С — 839,94 долл.
Выводы. 1. На основе полученных данных по модельным исследованиям для условий сухого жаркого климата Центральной Азии в период охлаждения помещений за оптимальную температуру внутреннего воздуха в жилых помещениях рекомендуется принять +27 и +28 °С.
2. Для снижения расхода энергии на охлаждение и обеспечение комфорта в помещениях необходимо обеспечить проветривание помещений через окна с обеспечением кратности воздухообмена 2 ч1 (в мае месяце) в прохладный период суток: с 20 ч вечера до 8 ч утра; в июне месяце, в этот же период — при обеспечении кратности воздухообмена 4 ч1, а с июля по август, в это же время — при кратности воздухообмена 8 ч1.
ВЕСТНИК 9/2013
9/2013
Библиографический список
1. Оболенский Н.В. Архитектура и солнце. М. : Стройиздат, 1988. 207 с.
2. Архитектурная физика / В.К. Лицкевич, Л.И. Макриненко, И.В. Мигалина и др.; под ред. Н.В. Оболенского. М. : Архитекгура-С, 2007. 448 с.
3. Оболенский Н.В. Учет прямого, солнечного света при проектировании зданий в южных районах // Промышленное строительство. 1965. № 1. С. 12—14.
4. Роджерс Т.С. Проектирование теплозащиты зданий. М., 1966. С. 62—70.
5. Маркизы на окна / Маркизы и шторы Комфорт спейс. Режим доступа: http:// comfortspace.ru/katalog/markizy/markizy-na-okna. Дата обращения: 15.05.13.
6. Маркизы / Ripo international. Режим доступа: http://www.ripo.lv/ru/products/ Protective_shutters/colours/. Дата обращения: 15.05.13.
7. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005. Pp. 8—17.
8. Fanger P.O. Thermal comfort analysis and applications in environmental engineering. McGraw-Hill, New York, 1970. 244 p.
9. Fanger P.O. Thermal comfort. Robert E. Crieger, Malabar, Florida, 1982.
Поступила в редакцию в июле 2013 г.
Об авторе: Усмонов Шухрат Заурович — соискатель кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; старший преподаватель, Политехнический институт Таджикского технического университета имени М. Осими (ПИТТУ), 735700, Таджикистан, г. Худжанд, ул. Ленина, д. 226, [email protected].
Для цитирования: Усмонов Ш.З. Методы снижения расхода энергии на охлаждение жилых зданий в условиях сухого жаркого климата северных регионов Таджикистана // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 79—85.
Sh.Z. Usmonov
METHODS OF REDUCTION OF POWER CONSUMPTION FOR COOLING RESIDENTIAL BUILDINGS IN THE HOT AND DRY CLIMATE OF NORTHERN REGIONS
OF TAJIKISTAN
Reduction of energy consumption by devices designated for cooling residential buildings in the hot and dry climate of Central Asia is a most important challenge. The author uses a large apartment building (105 series), built in the 1980ies in the city of Khu-jand, to study the energy consumption required to cool the building after its renovation and modernization. Basic methods of reducing energy consumption for cooling buildings in hot, dry climates were applied. According to the findings of the research performed using a model residential house, ambient solar heat gain is reduced by 65 % during the hot season lasting from April to September. To cool the building, old windows are replaced by new insulated ones having a low solar heat gain coefficient (SHGC — 0.4) and external awnings are installed to protect windows looking to the West.
The typical internal room temperature of +25 °C is assumed for the thermal calculations in the summer conditions. In summer, the outside temperature exceeds 40 °C in the northern regions of Tajikistan. A typical difference between the inside and outside air temperature is 15 °C. This extensive temperature difference has a negative effect on the human body. Frequently, the human body has no time to adapt to rapid temperature changes. Aged and sick people are especially sensitive to rapid temperature changes. They are more likely to experience headaches, exacerbated hypertension, atherosclerosis and other diseases. Moderate fluctuations of the air temperature are preferable, as they reduce pressure on the body's thermoregulatory mechanisms.
It is noteworthy that people who remain inside buildings are not isolated from the external environment, and they must be careful to avoid sudden temperature changes.
In the European regulations aimed at warm, rather than hot summer conditions, internal residential air temperature of +25 °C is considered comfortable. On the contrary, the internal temperature in residential buildings in northern Tajikistan varies from +27 °C to +28 °C. High temperatures can cause significant discomfort in the hot and dry climate like the one in Tajikistan.
It is recommended to remain indoors during the day, to keep the windows open at night, and to run air conditioners in residential buildings in summer at certain time intervals.
The author proposes a method of optimization of the design temperature of residential rooms using PMV and PPD indices. Optimal air circulation through open windows at night is identified to ensure comfort in modernized residential buildings.
Key words: solar glazing, transmittance of solar heat, ventilation rates, comfort, optimum temperature, energy efficiency, energy consumption, Central Asia, Tajikistan.
References
1. Obolenskiy N.V. Arkhitektura i solntse [Architecture and the Sun]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 207 p.
2. Litskevich V.K., Makrinenko L.I., Migalina I.V.; Obolenskiy N.V., editor. Arkhitekturnaya fizika [Architectural Physics]. Moscow, Arkhitektura-S Publ., 2007, 448 p.
3. Obolenskiy N.V. Uchet pryamogo solnechnogo sveta pri proektirovanii zdaniy v yu-zhnykh rayonakh [Taking Account of Direct Sunlight in the Design of Buildings in Southern Regions]. Promyshlennoe stroitel'stvo [Industrial Engineering]. 1965, no. 1, pp. 12—14.
4. Rogers T.S. Proektirovanie teplozashchity zdaniy [Design of Thermal Protection of Buildings]. Moscow, 1966, pp. 62—70.
5. Markizy na okna. Markizy i shtory. Comfort Space. [Window Marquises. Marquises and Curtains. Comfort Space] Available at: http://comfortspace.ru/katalog/markizy/markizy-na-okna Date of access: 15.05.13.
6. Markizy. Ripo International. [Marquises. Ripo International]. Available at: http://www. ripo.lv/ru/products/Protective_shutters/colours/ Date of access: 15.05.13.
7. ASHRAE Handbook. Fundamentals. 2005, pp. 8—17.
8. Fanger P.O. Thermal Comfort Analysis and Applications in environmental Engineering. McGraw-Hill, New York, 1970, 244 p.
9. Fanger P.O., Crieger R.E. Thermal Comfort. Malabar, Florida, 1982.
About the author: Usmonov Shukhrat Zaurovich — applicant, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), Senior Lecturer, Khujand Polytechnic Institute, Tajik Technical University (PITTU), 226 Lenina st., Khujand, 735700, Tajikistan; [email protected].
For citation: Usmonov Sh.Z. Metody snizheniya raskhoda energii na okhlazhdenie zhi-lykh zdaniy v usloviyakh sukhogo zharkogo klimata severnykh regionov Tadzhikistana [Methods of Reduction of Power Consumption for Cooling Residential Buildings in the Hot and Dry Climate of Northern Regions of Tajikistan]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 79—85.
