РАЗРАБОТКА ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ (ТСМ) ДЛЯ МАЛОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ АКТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 666 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 666

УДК 691

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ (ТСМ) ДЛЯ МАЛОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ АКТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ

А.В. Фитингоф

ООО «ЭнерГео» 346518, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Маяковского, д. 224-В Тел./факс: (8636) 221094, 237757, e-mail [email protected]

Заключение совета рецензентов: 24.01.10 Заключение совета экспертов: 30.01.10 Принято к публикации: 05.02.10

В рамках статьи рассмотрены принципы активной энергетической архитектуры и особенности проектирования современных энергоэффективных строительных материалов с учетом этих принципов. Эти принципы широко распространены в развитых индустриальных странах Западной Европы.

Ключевые слова: энергосбережение, энергоэффективность, активная энергетическая архитектура, энергоактивные строительные элементы, тепловое аккумулирование, теплоаккумулирующий строительный модуль.

DEVELOPMENT OF HEAT-STORING CONSTRUCTION MODULES (HSCM) FOR LOW-RISE CONSTRUCTION USING THE PRINCIPLE OF ACTIVE ENERGY

ARCHITECTURE

A.V. Fitingof

"EnerGeo" Ltd.

224^ Mayakovskogo str., Shakhty, Rostov region, 346518, Russia Tel./fax: (8636) 221094, 237757, e-mail [email protected]

Referred: 24.01.10 Expertise: 30.01.10 Accepted: 05.02.10

Under article the principles of active energy architecture and design features of modern energy-efficient building materials according to these principles are discussed. These principles are widely distributed in advanced industrial countries of Western Europe.

Программа по разработке и созданию теплоакку-мулирующих строительных модулей для малоэтажного строительства имеет своей целью снижение потерь тепла в ограждающих и несущих конструкциях малоэтажных зданий за счет использования принципов активной энергетической архитектуры. 5060% общего энергопотребления связано с эксплуатацией зданий (свет, отопление, охлаждение, вентиляция и т.д.), и при этом многие страны полностью зависят от импорта зарубежных энергоносителей.

Активная энергетическая архитектура - это целая отрасль общего строительного планирования, которое предусматривает использование синергетиче-ских эффектов при планировании земельных участков, строений, конструкции зданий, а также планирование расположения техники в доме. Цель активной энергетической архитектуры заключается в

оптимизации стоимости энергоснабжения за счет применения возобновляемой энергии вплоть до независимого самообеспечения.

Активная энергетическая архитектура находится в центре внимания научных исследований, связанных с общим строительным планированием. Концепция охватывает самые современные технические решения. Актуальные научные достижения в моделировании объектов нацелены на эффективное и безопасное планирование объектов. Все факторы окружающей среды включены в концепцию и образуют, совместно со стоящими в центре внимания особенностями строений, необычайно высокий потенциал при накоплении энергии (рис. 1). В разработке каждого проекта учитываются характеристики, связанные с используемыми ресурсами:

а) положение - расположение зданий в соответствии с требованиями активной энергетической архитектуры (солнечное излучение, наклон крыши, коллекторы на земле);

б) влияние окружающей среды - учет всех условий, таких как местность, расположение склонов, удаленность от воды;

в) ресурсы места расположения - постоянное использование ресурсов места расположения в энергетическом планировании;

г) основа (корпус) строения - полное рассмотрение таких моментов на объекте, как функции, оптика, энергетика, экономия и т.д.;

д) сущность строения - при планировании во внимание принимается масса строения, является ли оно старой постройкой или новой;

е) использование - учитываются все аспекты использования здания, пожелания жильцов при использовании жилого пространства (подвал, бассейн, сауна и т.д.).

Рис. 1. Учет параметров строения Fig. 1. Consideration of the parameters of the building

Оптимизация энергии в здании начинается не с планирования расположения техники в доме. Она начинается с наиболее подходящего расположения строения на участке. При этом особым значением обладает положение дома по отношению к ходу солнца. Основное значение для оптимизации расхода энергии имеет основа строения, включающая следующие компоненты:

1. Теплоизоляция:

- с помощью оптимально застекленных поверхностей;

- фундамента здания;

- фасада и крыши;

- путем встраивания конструктивных теплопере-датчиков.

2. Конструкция здания:

- принятие во внимание соотношения между поверхностью и объемом;

- оптимальное расположение используемых областей;

- тонкая конструкция;

- оптимальный подбор строительных материалов;

- плотность воздуха;

- максимально возможное использование тепла солнца и солнечного света.

3. Накопление энергии в массе:

- выбор материалов для накопления тепла и теплоотдачи;

- оптимальное использование пассивного солнечного тепла и солнечного света через прозрачные поверхности;

- эффективное использование обусловленных конструкцией накоплений;

- оптимальное использование массы строения через минимизацию облицовки.

4. Многофункциональные стены:

- готовые строительные элементы и детали инсталляции;

- встроенная система вентиляции;

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

- для энергоснабжения проложены каналы и линии;

- возможна «капиллярная» система отопления и охлаждения;

- внутренние стены готовы к поклейке обоев или покраске.

Энергетическое планирование в активной энергетической архитектуре исходит из того, что расход энергии зданием, реконструированным или возведенным в соответствии с методами активной энергетической архитектуры, существенно ниже, чем в точно такой же традиционной постройке. Далее, энергетическое планирование исходит из того, что большая часть необходимой зданию энергии может накапливаться в самом здании и быть бесплатной. В дальнейшем это приводит к отказу от технологий, основанных на сгорании топлива (нефти, газа). Важными компонентами энергетического планирования являются:

1. Тепловой насос/Термические емкости:

- длительное использование бесплатной возобновляемой энергии;

- никаких затрат на обслуживание;

- не наносит вред окружающей среде;

- идеально совмещается с другими видами энергии;

- универсален при инсталляции.

2. Теплоактивные строительные элементы:

- функционирование чрезвычайно экономично благодаря принципу перехода от высоких температур к низким;

- длительное сохранение тепла;

- длинноволновая инфракрасная теплота излучения;

- заранее запрограммированные функции охлаждения.

3. Фотовольтаика:

- солнечная энергия для собственных потребностей и для подачи электроэнергии в общественную сеть;

- недорогая в обслуживании энергоустановка;

- минимизация услуг подключения.

4. Пассивное и активное использование энергии солнца:

- разумная программа - жалюзи;

- оптимизированное проникновение света в здание;

- использование пассивной энергии солнца для отопления;

- накопление избыточного тепла летом в термических емкостях.

5. Вентиляционная техника:

- поступающие воздушные потоки контролируются теплообменниками;

- почти 90%-я регенерация тепла через утилизацию тепла;

- снижение тепловых потерь из-за проветривания (открытия окон зимой);

- оптимальное распределение воздуха и одновременно очищение его от пыли и микроорганизмов.

Экономическое планирование активной энергетической архитектуры следует строгим экономическим положениям. Но при этом некоторые открытия последних лет стали решающими и позволили продолжать развивать метод активной энергетической архитектуры: в первую очередь это тот факт, что использование технологий возобновляемых источников энергии стало значительно дешевле, что позволило перейти к массовому производству. Во-вторых, цены на традиционные энергоносители продолжают расти. При этом ситуация с мировым финансовым кризисом остается неизменной. В-третьих, синергетический эффект при комплексном подходе влияет на снижение цен при планировании новых архитектурных проектов и реконструкции старых зданий. Ниже приведены важнейшие аргументы экономичности активной энергетической архитектуры.

В концепции активной энергетической архитектуры важное место занимает тепловая активация строительных элементов. Корпус здания рассматривается при этом как потенциальный аккумулятор энергии, который может накапливать избыточное тепло и впоследствии отдавать его снова [1]. При тепловой активации строительных элементов важны все элементы корпуса здания: фундамент, стены подвала, внешние стены, внутренние стены, перегородки и крыша. Разница в возможности накопления тепла отдельными элементами конструкции обуславливается различиями в характеристиках материалов и разностью масс.

Фундаментная плита отливается, как правило, из бетона, также как и ленточный фундамент, чаще всего используемый в России. Тепловая активация фундамента или фундаментной плиты производится посредством размещения в них металлических или пластмассовых труб, через которые впоследствии пропускается теплоноситель, передающий энергию фундаменту или фундаментной плите. Схема размещения труб показана на рис. 2. Дополнительные расходы, связанные с введением названных труб, относительно невелики. Прокладка труб производится с установлением арматуры. Отливке бетона при этом не наносится вреда.

Рис. 2. Схема размещения труб Fig. 2. Layout of pipes

Стены подвала частично строятся из монолитного армированного бетона. В этом случае действует тот же метод, что и при строительстве фундамента. А другая часть стен возводится из возможных материалов, в первую очередь из бетонных блоков различного размера (рис. 3). Конструкция такого рода обладает необходимыми для тепловой активации данными только условно. Схема кладки стен подвала из пустотелых блоков показана на рис. 4. Камни из кирпича или бетона, которые кладутся при строительстве подвальной стены, в большинстве случаев имеют каналы, подходящие для проведения воздуха, но из-за несовершенства технологии кладки стен эти каналы перекрываются слоями раствора.

точности. Поэтому требование к изготовителям фундаментных блоков - использование новых технологий, гарантирующих высокое качество выпускаемой продукции. Устройство перекрытий тоже может происходить по-разному. Если перекрытие устанавливается монолитно, то для его активации подходят все шаги, описанные для фундамента.

Рис. 3. Схема стен подвала из пустотелых блоков Fig. 3. Scheme of the basement walls of hollow blocks

Рис. 5. Схема подвальных стен из фундаментных блоков Fig. 5. Scheme of the basement walls of the foundation blocks

При строительстве невысоких домов часто устанавливаются стандартные плиты перекрытий. Они снабжены сквозными каналами, которые хорошо подходят для тепловой активации (рис. 6). Проблема здесь только в точности изготовления. Еще одна проблема заключается в технологии монтажа, который должен производиться таким образом, чтобы каналы не оказались перекрытыми для прохождения воздуха.

Рис. 6. Схема потолочных панелей Fig. 6. Scheme of ceiling panels

Рис. 4. Схема стен подвала из пустотелых блоков Fig. 4. Scheme of the basement walls of hollow blocks

В России, как правило, для возведения подвальных стен используются стандартные фундаментные блоки. Эти блоки из армированного бетона пригодны для тепловой активации в том случае, если они снабжены каналами для движения теплоносителя, которые дают доступ проникновению воздуха (рис. 5) [2]. Технологии монтажа при этом необходимо преобразовать таким образом, чтобы эти каналы не перекрывались.

Фундаментные блоки в настоящее время изготавливаются такого качества, которое допускает большие неточности в массе. Монтаж подвальных стен из теплоактивных бетонных блоков требует высокой

Рис. 7. Схема сборного перекрытия Fig. 7. Scheme of precast floors

В Германии при строительстве жилых домов из нескольких этажей, а также частных домов используются межэтажные перекрытия, которые требуют краткого описания. На рис. 7 показана конструктив-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

ная схема такого перекрытия. Перекрытие состоит из трех элементов: несущая часть из армированного бетона, строительные пустотелые блоки из бетона и поверхностный (финишный) слой из жидкого бетона. Для тепловой активации интерес представляют строительные блоки с их камерами. После монтажа они обеспечивают идеальное прохождение воздуха.

Перекрытия всегда являются одновременно и полом. После установки перекрытий требуется еще одна обработка, которая делает пол пригодным для хождения. Жидкий бетон, третий компонент перекрытия, может при этом смешиваться с материалами, оптимизирующими его способности к сохранению тепла. Бесшовный пол должен также быть изготовлен из материалов, обеспечивающих его теплопроводность и возможность сохранять тепло.

При возведении внешних стен с точки зрения тепловой активации действует тот принцип, что они должны отдавать накопленное со временем тепло внутрь. Это означает, что снаружи должна быть установлена соответствующая теплоизоляция. Тот же принцип действует и при возведении фундамента и подвальных стен. Как должна происходить тепловая активация внешних стен, показывает следующая схема (рис. 8).

Рис. 8. Схема внешней стены Fig. 8. Scheme of the external wall

На рис. 8 изображен строительный блок со сквозными каналами. Монтаж (склейка) блоков должна происходить таким образом, чтобы образовывались сквозные каналы, через которые будет проходить воздух. Поэтому при монтаже требуется особая точность пригонки. Кроме того, склейка должна происходить таким образом, чтобы отверстия блоков не забивались клеем. В настоящее время существуют разные способы возведения внутренних стен. Часто устанавливаются стены из гипсокартона (рис. 9). С помощью гипсокартонных стен могут быть реализо-

ваны индивидуальные пожелания по разделению пространства. Для тепловой активации гипсокартон-ные стены подходят только условно. В первую очередь у них отсутствует аккумулирующая масса.

Рис. 9. Схема гипсокартонной стены Fig. 9. Drywall scheme

Для получения лучших результатов возможно заменить гипсокартон на другой материал, сопоставимый по прочности, но обладающий более высокими теплопроводящими характеристиками. Например, гипсоволокнистые листы или цементно-стружечные плиты. Между внешними ограждающими слоями располагаются система труб для теплоносителя и теплоаккумулирующий наполнитель. В сочетании гипсокартона и других наполнителей, которые еще исследуются, обнаруживается лишь ограниченный объем теплового аккумулирования, который может быть увеличен за счет облицовки керамической плиткой. В этом случае активированная таким образом стена может играть роль отопительного модуля. Внутренние стены, так же как и внешние, могут быть изготовлены из массивных материалов, например силикатного кирпича (рис. 10). Особенно подходящими при этом являются стены, которые смогут излучать тепло в обе стороны.

Рис. 10. Схема внутренней стены из силикатных блоков Fig. 10. Scheme of the internal wall of silicate blocks

Существовавшие до сих пор модели тепловой активации строительных элементов относились к новым постройкам. Но при реконструкции уже существующих строений также возможна тепловая активация строительных элементов. Если при реконструкции устанавливаются новые элементы, например не несущие внутренние стены, то к ним применимы те же методы, что и при строительстве новых зданий. В дальнейшем должны быть изучены способы тепловой активации тех строительных элементов, которые остаются прежними.

Имеющиеся в наличии стены из кирпича или других подобных материалов (не гипсокартонные стены) не штукатурятся. На очищенную стену наносится система труб, через которую впоследствии может быть пропущен теплоноситель. Система труб штукатурится специальной штукатурной смесью, обладающей высокой теплоаккумулирующей способностью. При тепловой активации в фазе нагревания труба отдает энергию, передаваемую теплоносителем, во все направления, то есть старой кирпичной кладке и штукатурке. После нагревания все слои передают накопленное тепло в пространство. Значимым моментом для эффективности тепловой активации является комбинация материалов. От нее зависит количество накопленного тепла и время его отдачи.

Принцип тепловой активации перекрытий по сути тот же, что и при возведении стен. Основная особенность заключается здесь в том, будет ли перекрытие активировано снизу или сверху (рис. 11). От этого зависит режим отдачи тепла после фазы нагревания.

Рис. 11. Схема потолка Fig. 11. Scheme of the ceiling

Задачей проекта является разработка модулей, которые способны принимать избыточное тепло, накапливать его и со временем отдавать снова. Под модулями мы подразумеваем в данном случае строительные элементы, описанные ранее: комплектные стены, потолки, фундамент и т. д. Эти модули состоят из некоторого числа элементов, которые соединяются, монтируются в один строительный элемент. Некоторые важнейшие задачи по развитию, стоящие перед проектом, расходятся в следующих направлениях:

- исследовать уже существующие строительные элементы на предмет пригодности для тепловой активации на основании их конструкции и способности накапливать и отдавать тепло;

- разработать разъемы (места подключения) для строительных элементов, пригодных для тепловой активации, которые соединят модуль (строительный элемент) с источником тепла;

- описать функционирование теплоаккумули-рующих модулей в рамках проекта по отоплению, охлаждению и вентиляции здания;

- создание новых строительных материалов и разработка предложений к производителям строительных материалов по изготовлению новых компонентов для теплоактивных строительных элементов (модулей).

Необходимо упомянуть еще раз, что основной задачей проекта является создание модулей (строительных элементов), которые способны накапливать тепло и спустя некоторое время отдавать его. Такие модули имеют смысл в том случае, если есть время для накопления избыточного тепла и время, в которое это тепло отдается и потребляется [3]. Такой избыток может быть обеспечен, к примеру, установками, работающими за счет энергии солнца.

Все энергоактивные строительные элементы автоматически выполняют функции как отопления, так и охлаждения. Даже в том случае, если речь идет не о накоплении избыточного тепла (холода) в здании, энергоактивные модули могут обеспечить колоссальную экономию энергии. По всем правилам энергоактивные строительные элементы функционируют как низкопотенциальная отопительная система. Обогрев пространства обеспечивается за счет больших поверхностей и равномерного излучения [4]. В большинстве традиционных отопительных систем используются батареи с водой высокой температуры, которая более или менее быстро сообщает тепло воздуху, циркулирующему в комнате.

Система отопления, интегрированная в энергоактивный строительный элемент, может сократить дополнительную систему отопления через батареи вплоть до полного отказа от нее. Последнее могло бы существенно сократить стоимость материалов и монтажа. То же самое можно сказать и про возможные функции охлаждения энергоактивных строительных элементов. Мы уверены, что такие системы должны заменить сплит-системы и таким образом значительно сократить расход электроэнергии [5].

Важным в любом случае является комплексное рассмотрение всех трех функций энергоактивных строительных элементов. Это должно быть реализовано в проекте. Перспективными, на наш взгляд, являются модули, состоящие из однородных компонентов: плиты для стен и потолка, образующие уже готовую систему каналов (труб) для прохождения теплоносителей.

В поисках объектов для проекта разработчики руководствовались данными исследований, полученных в Германии. Германия - одна из ведущих стран в развитии энергоэффективных технологий при строительстве и эксплуатации зданий. Разработка зданий, потребляющих минимум энергии, длится уже многие десятилетия. Провозглашена концепция

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

развития энергосбережения «От дома с нулевым потреблением энергии к дому, производящему энергию». Основа этой концепции - разработка энергоактивных строительных элементов и внедрение их в строительное дело.

В рамках проекта были установлены контакты с исследовательскими институтами и отдельными разработчиками. Так, фирма Grammer-Solar совместно с заводом по производству известково-песчаного кирпича Bienwald разработала отопление, основанное на накоплении стенами тепла. Фирма Solar-Plan GmbH - основатель марки активной энергетической архитектуры. С 2001 года этой фирмой были возведены или реконструированы многие объекты с энергоактивными строительными элементами и был накоплен огромный опыт. Фирма TerraCalidus разработала бесшовный пол, который обладает свойствами, делающими его пригодным для тепловой активации.

Несмотря на то, что жидкость обладает более высоким коэффициентом теплопередачи и аккумулирования, от применения жидкого теплоносителя в конструкции теплоаккумулирующих модулей после проведения ряда исследований решено отказаться. Применение жидкого теплоносителя требует принятия целого комплекса мер по защите собранной системы от протечек. Как показывает опыт эксплуатации подобных систем, исключить протечки полностью невозможно, при этом монтаж и герметизация системы в условиях строительной площадки требуют дополнительных временных и финансовых затрат, что вместе с описанными проблемами эксплуатации делают использование такой системы экономически нецелесообразным в современных условиях.

Таким образом, по результатам теоретического анализа и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Почти все строительные элементы подходят для тепловой активации. Там, где используются монолитные конструкции, в бетон вводятся трубы, которые могут пропускать как воду, так и воздух. Там, где важную роль играют технологии монтажа строительных элементов, необходимо создавать сквозные каналы, через которые может проходить воздух. Кроме того, в рамках проекта необходимо исследовать, какие стандартные строительные элементы подходят для тепловой активации на основании их способности накапливать тепло.

2. Одновременно с основной реконструкцией здания имеет смысл и энергетическая реконструкция. В Германии основная реконструкция неизменно влечет за собой одновременную энергетическую перестройку. Если, к примеру, обновляется внешняя штукатурка здания, то производится и теплоизоляция, если ее еще нет. При основательной энергетической реконструкции имеет смысл и тепловая активация некоторых строительных элементов. Несмотря на небольшие дополнительные затраты, выигрышные моменты - комфорт для жизни и снижение энергозатрат на дальнейшую эксплуатацию здания.

3. Новизна предлагаемых технических решений состоит в комплексном подходе к проблеме энергосбережения в малоэтажных зданиях и сооружениях, при котором элементы несущих и ограждающих конструкций одновременно выполняют функцию теплового аккумулятора и выступают как единая система поддержания оптимального климата в здании. Аналогов таких решений как в России, так и за рубежом не существует.

4. Полученные результаты ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах-производителях наукоемкой продукции. Использование полученных результатов позволит изменить подход к проектированию зданий и систем отопления и кондиционирования, что в конечном счете приведет к снижению энергопотребления проектируемых зданий.

5. Разрабатываемые теплоаккумулирующие строительные модули могут быть использованы для проектирования и строительства малоэтажных зданий как составной элемент системы отопления и кондиционирования. Технические характеристики модулей допускают применение их во всех регионах России. Использование теплоаккумулирующих строительных модулей обеспечит повышение эффективности отопительных систем зданий со снижением потерь тепла в ограждающих и несущих конструкциях с суммарным энергосберегающим эффектом не менее 20%. Проект по развитию активных энергетических строительных элементов должен стать отправной точкой во введении активной энергетической архитектуры в России. Это должно стать существенным вкладом в снижение потребления энергии в строениях.

Список литературы

1. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. М.: Высшая школа, 1970.

2. Кац М.Д., Карауш С.А., Загромов Ю.А., Бугаев И.В. Об учете теплообмена с поверхности образца при измерении теплофизических характеристик покрытий импульсным методом // Вопросы теплообмена в строительстве. Сб. науч. трудов. Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. инж.-строит. ин-та, 1990. С. 136-141.

3. Бринк И.Ю., Горчаков В.В. Специфические требования к средствам контроля и измерения, обусловленные нормами техногенной и технологической безопасности // Мат. науч.-практ. семинара по соверш. сист. экспер. промышл. безопасн. Госгор-технадзора России, Новочеркасск, 2000. С. 67.

4. Чернявский А. А. Возможности энергосбережения в коммунальном хозяйстве // Сб. докладов на межрегиональной научно-практической конференции «ЖКХ и энергетика в 21 веке». Ростов-на-Дону: Госуниверситет, 2003. С. 76-79.

5. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. Учебник для вузов. М.: Изд-во АСВ, 2002.

гхп

- TATA —