CC BY
30Научно-технический Heat protection
и производственный журнал of buildings
УДК 699.86
Т.А. АХМЯРОВ, инженер (tagir-a@yandex.ru), А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук (spiridonov@aprok.org),
И.Л. ШУБИН, д-р техн. наук
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный проезд, 21)
Перспективы применения технологий и систем активного энергосбережения при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте жилых и общественных зданий
Приведены результаты, преимущества и промежуточные выводы по новейшим теоретическим и экспериментальным исследованиям новых принципов повышения комфортности микроклимата и энергетической эффективности наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения с минимальным энергопотреблением. Показано, что для энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) возможно повысить энергетическую эффективность в несколько раз относительно существующих современных ограждающих конструкций и действующих норм. Применение ЭВОК позволит обеспечить практически полную рекуперацию теплового потока и влаги, включая светопроз-рачные конструкции, что открывает новые перспективы для строительства и реконструкции зданий (сооружений, теплиц) с большим процентом остекления.
Ключевые слова: энергоэффективные вентилируемые светопрозрачные ограждающие конструкции, система активного энергосбережения, рекуперация трансмиссионного, радиационного тепла и влаги.
T.A. AKHMYAROV, (tagir-a@yandex.ru), A.V. SPIRIDONOV, Candidate of Sciences (Engineering) (spiridonov@aprok.org),
I.L. SHUBIN, Doctor of Sciences (Engineering) Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
Prospects of Application of Technologies and Systems of Active Energy Saving at Construction, Reconstruction and Capital Repairs Residential and Public Buildings
Results, advantages and intermediate conclusions on the newest theoretical and pilot studies of the new principles of increase of comfort of a microclimate and energy efficiency of the envelopes and fenestration of buildings and constructions of different function with the minimum energy consumption are given. It is shown that for the energy efficient ventilated envelopes (EEVE) it is possible to increase energy efficiency several times of the envelopes and fenestration which are rather existing modern and existing rules. Application of EEVE will allow to provide almost full recovery of a thermal stream and moisture, including fenestration that opens new prospects for construction and reconstruction of buildings (constructions, greenhouses) with big percent of a glazing.
Keywords: energy efficient ventilated fenestration and facade, system of active energy saving, recovery of transmission and radiation heat and moisture.
В результате многочисленных исследований, проведенных в НИИ Строительной физики в 2011-2014 гг., авторами были предложены новые принципы проектирования наружной оболочки зданий и сооружений различного назначения с использованием активной рекуперации выходящего тепла и влаги, а также разработаны энергоэффективные вентилируемые ограждающие (ЭВОК) и светопрозрачные (ЭВСОК) конструкции [1-5].
Теоретически были обоснованы новые принципы проектирования [1, 2], экспериментально подтверждена их эффективность [5]. Кроме того, совместно с рядом фирм-партнеров были разработаны предложения по использованию технологий активной рекуперации в реальных ограждающих и светопрозрачных конструкциях [3, 4].
В ходе исследований были:
• получены очень высокие показатели по рекуперации (возврату) уходящего из помещения теплового потока;
• определены оптимальные расстояния между теплозащитными экранами различного вида в наружной каме-
7 2015 ^^^^^^^^^^^^^
ре межстекольного пространства светопрозрачных конструкций;
• обеспечены условия образования плоской турбулентной струи в наружной камере межстекольного пространства;
• установлены минимальные расстояния между тепло-отражающими экранами и ограждающими конструкциями, при которых функционирует разработанный авторами принцип повышения энергетической эффективности;
• определены оптимальные режимы подачи наружного воздуха в специально образованную наружную прослойку;
• проведена оценка эффективности использования современных рекуператоров мембранного типа совместно с энергоэффективными вентилируемыми ограждающими и светопрозрачными конструкциями.
В качестве механизмов воздействия на выходящий из здания тепловой поток были использованы мощные комплексные теплофизические процессы. При этом в ходе ис-
- 23
Тепловая защита зданий
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис.1. Аккумуляторы TESLA Power Wall (сдвоенные). Рисунок взят с сайта http://www. teslamotors.com/powerwall
следований в климатических камерах НИИ Строительной • возможность физики были достигнуты:
• рекуперация выходящего теплового потока через ограждающие конструкции с КПД выше 95%;
• рекуперация тепла вентиляционных выбросов с КПД выше 94%;
• рекуперация влаги: через ограждающие конструкции с КПД 100%, а у вентиляционных выбросов - с КПД выше 84%;
• обеспечение нормативных показателей энергетической эффективности конструкций, запланированных к 2020 г., что значительно выше, чем у существующих ограждающих и светопрозрачных конструкций, и существенно выше требований действующих нормативно-технических показателей;
• возможность создания комфортных условий в помещениях за счет обеспечения энергоэкономичного воздухообмена в 2-3 раза выше требований действующих санитарных норм;
• практическое исключение возможности образования конденсата на поверхностях ограждений, а также минимизация возможностей разрушения остекления светопрозрач-ных конструкций за счет так называемого «эффекта термошока»;
• обеспечение возможности регулирования и оптимизации тепловлажностного режима внутри ЭВОК и ЭВСОК в процессе эксплуатации конструкций в зависимости от наружных условий;
• повышение теплотехнической однородности конструкций за счет изоляции воздушным потоком теплопроводных включений, а также повышение тепловой устойчивости ограждений.
На сегодняшний день можно констатировать, что разработанные авторами ограждающие и светопрозрачные конструкции фактически готовы к практическому внедрению, как в новом строительстве, так и при реконструкции и капитальном ремонте существующих зданий.
Основные преимущества конструкций ЭВОК и ЭВСОК при использовании их в отечественном строительстве следующие:
• малая материалоемкость, относительно невысокая стоимость, примерно сопоставимая с ценой традиционных конструкций, экономичность;
• высокая долговечность, высокая энергетическая эффективность, экологическая чистота;
• обеспечение возможности использования в ограждающих конструкциях материалов с большей теплопроводностью, чем это предполагается действующими нормативными документами, за счет эффективной рекуперации выходящего теплового потока;
• возможность применения комбинаций из существующих сертифицированных промышленно выпускаемых ограждающих конструкций, что минимизирует необходимость дополнительной сертификации ЭВОК и ЭВСОК;
снижения требований к основной ограждающей конструкции: за счет применения новых принципов проектирования можно не увеличивать сопротивления теплопередаче существующих ограждающих конструкций, что очень перспективно, особенно при реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения.
Российская Федерация стоит перед сложной задачей по реновации, повышению комфортности и тепловой модернизации большей части ранее построенных зданий, сооружений, а также инфраструктуры в городах и населенных пунктах. Это связано с неудовлетворительным состоянием многих строительных и инженерных сооружений. Незначительный объем ремонта, проведенный в прошлые периоды, привел к значительным физическим и структурным повреждениям зданий и сооружений, которые с учетом общего возраста построек ведут к снижению остаточного срока их эксплуатации. С учетом огромного общего объема жилого фонда встает вопрос, возможно ли адекватно и своевременно провести необходимые улучшения или дополнительные мероприятия по санации этих зданий во избежание серьезных социальных и других проблем.
Необходимость проведения мероприятий по энергосбережению в РФ обосновывается и тем, что в период с 1917-го по 2000 г. в нашей стране было построено более 3,5 млрд м2 только жилых зданий [6] (по данным Минстроя РФ, общая площадь зданий 5,5 млрд м2, в том числе 4,1 млрд м2 жилых зданий [7]), энергетические потери в которых не отвечают современным требованиям. Так, по данным Министерства регионального развития РФ (2012 г.), средние затраты на отопление в жилых зданиях на всей территории России составляют 350-380 кВт ч/м2 в год (в 5-7 раз выше, чем в Германии и других странах ЕС), а в некоторых типах зданий они достигают 680 кВтч/м2 в год. Более того, по данным Мосгосэкспертизы, несмотря на то что в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» для многоэтажных зданий, проектируемых для г. Москвы, был установлен предел на удельные затраты на отопление и вентиляцию в 95 кВтч/м2 в год, в построенных зданиях (что
Научно-технический и производственный журнал
Heat protection of buildings
L_J
*
в
Рис. 2. Принцип работы аккумуляторов TESLA Power Wall в здании: DC — постоянный ток; AC — переменный ток; 1 — солнечная батарея (может быть ветрогенератор); 2 — аккумулятор TESLA Power Wall; 3 — инвертор; 4 — внутри домовые нагрузки. Рисунок взят с сайта http://www.teslamotors.com/powerwall
установлено неоднократными проверками здании, возведенных в 2003-2010 гг.) эти затраты находились на уровне 150-180 кВтч/м2 в год. С учетом постоянного роста тарифов на тепловую энергию и неопределенности на глобальных рынках углеводородного сырья (а также в связи с мизерным использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в нашей стране) такая ситуация является чрезвычаино опаснои с точки зрения энергетической безопасности страны.
Известно, что в середине 2000-х гг. в ряде регионов была запущена программа по реновации и санации жилых зданий, построенных в 60-70-е гг. прошлого века. Основные работы предполагали утепление стен за счет различных вариантов наружного утепления, замену окон и ремонт или замену некоторых коммуникаций. Предполагалось, что за счет этих мероприятий возможно будет снизить расходы на эксплуатацию жилых помещений на 25-30%. К сожалению, мониторинг реконструированных домов показал значительно меньший энергетический эффект: по результатам обследований, проведенных Мосгосэкспертизой и другими организациями, снижение потребления энергии в них не превышало 10%. Это связано как с неудачными схемами реконструкции, качеством работ, так и с неэффективными дешевыми материалами и решениями, использованными при реконструкции.
Недавно приняты изменения в законодательство, касающиеся капитального ремонта зданий, которые предполагают софинансирование этих работ собственниками жилых помещений. Кроме того, Минстроем РФ и Правительством г. Москвы готовится комплект документации по реконструкции жилых зданий старой постройки. Хочется надеяться, что контроль со стороны ТСЖ сможет изменить ситуацию в лучшую сторону, а при реконструкции и капитальном ремонте зданий будут использоваться новые энергосберегающие материалы и конструкции.
Авторы считают, что после разработки первых конструкций с использованием некоторых технологий активного энергосбережения, энергетическая эффективность которых была доказана [3-5], необходимо продолжить исследования в направлении максимального использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, инновационных систем вентиляции и отопления [8-10], а также других инженерных систем, обеспечивающих повышенный уровень комфортности микроклимата помещений и эффективности и удобства эксплуатации.
При внедрении в практику отечественного строительства разработанных инновационных энергоэффективных вентилируемых ограждающих и светопрозрачных конструкций уже сегодня можно обеспечить:
• повышение уровня комфортности микроклимата помещений с регулировкой защиты от внешних воздействий и теплохладоаккумуляцией энергии приточного воздуха в любых условиях внешней среды в зимний, летний и переходный периоды;
• использование в ближайшей перспективе фотоэлектрических панелей, солнечной и ветровой энергии (в том числе разрабатываемых приточных и вытяжных ветровых вентиляционных эжекторных дефлекторов повышенной энергоэффективности);
• сокращение отопительного периода в большинстве климатических районах страны за счет эффективного использования выходящего из помещений теплового потока и тепла вентиляционных выбросов.
В то же время необходимо активизировать использование в новом строительстве, при реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения и других элементов и технологий активного энергосбережения. К ним можно отнести [2]:
• автоматически регулируемую вытяжную вентиляцию с механическим побуждением и естественным притоком через вентиляционные клапаны в окнах или в наружных ограждающих конструкциях;
• теплонасосные системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения);
• системы, рекуперирующие и утилизирующие теплоту вентиляционных выбросов и канализационных стоков;
• эффективные отопительные приборы с регулируемой теплоотдачей;
• системы автоматизированного учета потребления энергоресурсов и управления микроклиматом, обеспечивающих экономию энергии и снижение пиковых электрических нагрузок;
• системы, использующие солнечную, ветровую, геотермальную энергию и др.;
• системы аккумулирования тепла и холода, в основном вентиляционного воздуха, с использованием материалов с возможностью фазовых переходов;
7'2015
25
Тепловая защита зданий
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
• механические приточно-вытяжные системы вентиляции с рекуперацией и утилизацией теплоты и влаги вентиляционных выбросов;
• наружные ограждения с рекуперацией тепла, в том числе энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока и выходящей влаги.
В настоящее время имеются все современные принципиальные технические и технологические разработки, с помощью которых возможно эффективно решить многочисленные проблемы, возникающие на этом пути. Более того, 2 мая 2015 г. компания TESLA анонсировала выпуск компактных и эффективных аккумуляторов Power Wall (10 кВтч) и Power Pack (100 кВтч), которые помогут решить вопросы сохранения и использования солнечной и ветровой энергии, в том числе и в автономных зданиях, расположенных в местностях, где отсутствуют централизованные источники энергоснабжения (более подробно на сайте http://www.teslamotors.com). Они достаточно малогабаритны (вес 100 кг, размеры 1300x860x180 мм); относительно недороги (3500 дол. США); долговечны (гарантия производителя более 10 лет); надежны (устойчивая работоспособность в диапазоне от -20 до +43оС, могут располагаться как снаружи, так и внутри помещения) и эффективны (КПД более 92%). Устройства Power Wall способны произвести настоящую революцию в применении технологий и систем активного энергосбережения, позволят обеспечить большинство потребностей жильцов за счет использования запасенной в течение дня энергии в пиковые утренние и вечерние часы.
Специалисты НИИ Строительной физики планируют в ближайшее время провести серию исследований в области перспективных ограждающих конструкций и инженерных систем с применением технологий и систем активного энергосбережения при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения в регионах РФ.
Список литературы
1. Ахмяров Т.А., Беляев В.С., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла // Энергосбережение. 2013. № 4. С. 36-46.
2. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Принципы проектирования и оценки наружных ограждающих конструкций с использованием современных технологий «активного» энергосбережения и рекуперации теплового потока // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 8-13.
3. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Энергоэффективные вентилируемые ограждающие конструкции с активной рекуперацией выходящего теплового потока // Жилищное строительство. 2014. № 10. С. 38-42.
4. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Энергоэффективные вентилируемые светопрозрачные ограждающие конструкции // Энергосбережение. 2014. № 8. С. 62-65.
5. Ахмяров Т.А., Лобанов В.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Эффективность вентилируемых ограждающих и свето-прозрачных конструкций с активной рекуперацией выходящего теплового потока // Жилищное строительство. 2015. № 4. 28-34.
6. Шубин И.Л., Спиридонов А.В. Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли // Энергосбережение. 2013. № 1. С. 15-21.
7. Терентьев Д.М. Повышение энергоэффективности зданий, строений и сооружений. Задачи Минстроя России // Энергосбережение. 2015. № 3. С. 18-21.
8. Патент РФ 2295622. Вентилируемое окно / Ахмяров Т.А. Заявл. 14.03.2005. 0публ.20.03.07. Бюл. № 8.
9. Патент РФ 2447366. Эжекционный способ создания тяги в вентиляционных и дымовых трубах с использованием энергии ветра / Аркадов Ю.К., Батура Н.И., Ахмяров Т.А. Заявл. 10.11.2010. Опубл. 10.04.12. Бюл. № 10.
10. Патент РФ 2447367. Дефлектор ветра для вентиляционных и дымовых труб (варианты) / Аркадов Ю.К., Батура Н.И., Ахмяров Т.А. Заявл. 10.11.2010. Опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10.
References
1. Akhmyarov T.A., Belyaev V.S., Spiridonov A.V., Shubin I.L. System of active energy saving with heat recovery. Energosberezhenie. 2013. No. 4, pp. 36-46. (In Russian).
2. Akhmyarov T.A., Spiridonov A.V., Shubin I.L. Principles of designing and assessment of external enclosing structures with the use of modern technologies of "active" energy saving. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 8-13. (In Russian).
3. Akhmyarov T.A., Spiridonov A.V., Shubin I.L. Energy efficient ventilated envelopes with active recovery of the heat flow an insulation. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 10, pp. 38-42. (In Russian).
4. Akhmyarov T.A., Spiridonov A.V., Shubin I.L. The energy efficient ventilated fenestration. Energosberezhenie. 2014. No. 8, pp. 62-65. (In Russian).
5. Akhmyarov T.A., Lobanov V.A., Spiridonov A.V., Shubin I.L. Efficiency of ventilated envelopes and fenestration with active recuperation of outlet heat flow Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 4, pp. 28-34. (In Russian).
6. Shubin I.L., Spiridonov A.V. Energy saving problems in the Russian construction branch. Energosberezhenie. 2013. No. 1, pp. 15-21. (In Russian).
7. Terent'ev D.M. Increase of energy efficiency of buildings, structures and constructions. Tasks of Ministry of Construction, Architecture and Housing of Russia. Energosberezhenie. 2015. No. 3, pp. 18-21. (In Russian).
8. Patent RF 2295622.Ventiliruemoe okno [Ventilated window]. Akhmyarov T.A. Declared 14.03.2005. Published 20.03.07. Bulletin No. 8. (In Russian).
9. Patent RF 2447366. Ejektsyonny sposob sozdania tyagi v ventilyatsionnykh I dymovykh trubakh s ispol'zovaniem energii vetra [Ejector way of creation of draft in ventilating and chimneys with use of wind energy]. Arkadov Yu.K., Batura N.I., Akhmyarov T.A. Declared 10.11.2010. Published 10.04.12. Bulletin No. 10. (In Russian).
10. Patent RF 2447367. Deflector vetra dlya ventilyatsionnykh i dymovykh trub (variant) [The wind deflector for ventilating and chimneys (options)]. Arkadov Yu.K., Batura N.I., Akhmyarov T.A. Declared 10.11.2010. Published 10.04.2012. Bull. No. 10. (In Russian).
