Об алгоритме кондиционирования микроклимата

Сообщение, которое сделал на 3-ей научно-практической конференции главный научный сотрудник НИИСФ (Россия), профессор, д.т.н., заслуженный деятель науки и техники России академик В.Н. Богословский, называлось "Новые результаты исследований по энергосбережению в зданиях".

По всей вероятности, период, когда все внимание специалистов было сосредоточено на энергосбережении, заканчивается. В том виде, в котором она была первоначально сформулирована (создание зданий с эффективным использованием энергии), проблема постепенно прекращает свое существование, и теперь речь идет о создании зданий нового поколения - экологически чистых, экономичных и, разумеется, с эффективным использованием энергии.

В течение последних 2 лет в России, в частности, в Москве было выполнено много исследований, связанных с данной проблемой. В НИИ строительной физики ею по заказу управления перспективного развития Москвы занимался большой коллектив авторов.

Были эти вопросы и предметом обсуждения на академических чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук, и предметом разговора на очередной выставке-симпозиуме "Москва - энергоэффективный город". Разговор был продолжен на традиционной конференции по проблемам строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях, а также инженерным системам обеспечения, которую проводит НИИСФ как академический институт.

Упомянутой группой специалистов НИИСФ, в течение 2 лет трудившейся над проблемой, в основу работы была положена концепция, сердцевиной которой являлось рассмотрение зданий как единой системы тепломассообмена.

В данном контексте очень важно определиться по отношению к системному кондиционированию микроклимата. Система кондиционирования микроклимата представляет собой совокупность всех инженерных средств и устройств, предназначенных для формирования в интерьере здания микроклимата требуемых параметров. Основными составляющими этой совокупности являются архитектурно-строительные защитные решения и инженерные системы обеспечения микроклимата.

В чем важность введения термина "система кондиционирования микроклимата"? Он включает в себя и внутреннюю, и краевую, и внешнюю задачи тепломассообмена, а также три основные задачи обеспечения теплового режима зданий (пассивный режим с его регулируемыми системами, активный режим и условия перехода от одного режима к другому). В первую очередь внимание было направлено на генерирование некоторого общего алгоритма создания такого дома.

Основными шагами алгоритма являются выбор расчетных внутренних условий обеспечения комфортности и требований технологии, выбор расчетных наружных условий, принятие релевантных архитектурно-строительных защитных решений, обеспечение поддерживания теплового, воздушного и влажностного режима здания, решение вопросов использования инженерных систем обеспечения микроклимата, наконец, решение вопросов оценки эффективности этих систем по конечному результату их действия. И, разумеется, оптимизация принимаемых решений.

Выбор расчетных внутренних условий

Предлагается подразделить все помещения зданий, в данном случае гражданских, на 4 группы, положив в основу данной классификации уровень требований к условиям в помещении. Вводится понятие коэффициента обеспеченности (некоторая вероятностная характеристика выдерживания тех или иных заданных условий).

В основу выбора расчетных внутренних условий предлагается положить таблицу, первый столбец которой и составляют упомянутые 4 группы помещений. Подразделение помещений данным образом осуществляется по степени тяжести, каковая определяется метастабильным теплом, которое выделяет человек, и степенью утепленности его одежды. На основе этих показателей как для зимы, так и для лета даются расчетные значения 3 основных характеристик микроклимата помещений. Это температура в помещении как совокупная температура, учитывающая и температуру воздуха, и радиационную температуру помещения, а также относительную влажность воздуха и подвижность воздуха.

Представляется (и хотелось бы сделать на этом акцент), что регламентировать следует температуру в помещении.

Хотелось бы обратить внимание на таблицу комфортных эквивалентов. Смысл ее в том, что она иллюстрирует связь между изменениями всех 7 составляющих, определяющих комфортность теплового состояния человека в помещении. Это температура помещения, температура воздуха, радиационная температура, подвижность, влажность, интенсивность физической тяжести теплоотдачи человека и степень утепленности одежды. Например, изменение температуры помещения на 1° при прочих равных условиях эквивалентно изменению только температуры воздуха на 1,7°, радиационной температуры на 2,7°, подвижности воздуха на 0,08, относительной влажности на 33%, интенсивности тепловыделений на 0,38, утепленности одежды на 0,05.

Одним словом, таблица комфортных эквивалентов помогает проектировщику легко оперировать этими основными показателями. Дело в том, что в связи с утверждением новых нормативных требований к теплозащите наружных ограждений в помещении довольно сильно повысилась радиационная температура, о чем в отечественных нормах не говорится. А это, по существу, дает возможность понизить, например, температуру воздуха в помещении.

Выбор расчетных наружных условий

Данный шаг связан с попыткой построения вероятностно-статистической модели наружного климата как основы метеорологического обеспечения проектирования зданий на примере Москвы. Параметры, характеризующие так называемый test year, или расчетный (стандартный) год, учитывают не только сезонные (зима, лето) периоды, не только период резкого похолодания наряду с отопительным периодом, но также и период перегрева для лета (он же - период необходимости интенсивного охлаждения помещений). Причем все эти значения даются с разным коэффициентом обеспеченности.

Сегодня наиболее популярным "зимним" параметром является температура наиболее холодной пятидневки. В зависимости от коэффициента обеспеченности температура эта, например, в Москве, может изменяться от -9°C до -35°C.

Активно пропагандируется и такая характеристика, как градусосутки отопительного периода. Если для Москвы она принимается равной 5000 или около того, то вообще ее значения могут составлять от 3500 до 5200.

Что же касается вероятностных значений интенсивности суммарной солнечной радиации в разные периоды года с учетом реальной облачности, то график данной зависимости, построенный с участием метеорологов НИИСФ, вообще представляется впервые.

Защитные архитектурно-строительные решения

Прежде всего речь, разумеется,идет о наружной стене. Как бы ни были важны окна, именно она остается основной определяющей конструкцией здания. В настоящее время специалистами наиболее широко используются 12 возможных решений наружной стены. Особое внимание в отчете НИИСФ уделяется рассмотрению таких решений, как наружное ограждение с вентилируемым фасадом, наружное ограждение с лучепрозрачной теплоизоляцией, а также конструкция с применением пеногипса (теплоизоляции, которая очень "неравнодушна" к влажности и которую вынужденно принято располагать ближе к внутренней поверхности, откуда возникает очень интересная проблема расчета влажностного и фильтрационного режима конструкции).

Что происходит в конструкции, в которой применена penetration, или прозрачная теплоизоляция? В результате действия прямой и рассеянной солнечной радиации происходит нагрев изоляции на контакте с основной конструкцией. Самое замечательное, что в течение длительного периода года вместо потерь тепла через наружную стену наблюдается поступление тепла от конструкции внутрь помещения. В течение всех месяцев суровой московской зимы наблюдается только положительный эффект.

Заполнение оконных проемов - второй по значимости вид наружного ограждения. Сегодня налицо рыночный бум, связанный с применением новых видов заполнения. Но при этом наиболее актуальные для жизни здания вопросы остаются в стороне. Окно следует рассматривать комплексно, причем не только в светотехническом и теплотехническом, но и в аэродинамическом аспекте. По предложению НИИСФ две первые группы свойств окон объединены так называемым коэффициентом эффективности. Величины изменений совокупных теплопотерь через модуль здания "наружная стена-окно" могут достигать двукратных значений. В средней полосе России переход от 2-слойного остекления к 3-слойному чаще всего оказывается неоправданным. Ведь снижение показателя естественной освещенности вызывает необходимость увеличения площади оконного проема. В итоге вместо ожидаемого сокращения потребления энергии в связи с увеличением сопротивления теплопередаче энергорасход возрастает с ростом теплопотерь через ограждение.

Тепловой, воздушный и влажностный режим здания

Инженерные системы

Чрезвычайно важно ранжировать здания по энергетическим показателям. В частности, по энергетической установочной мощности. Наиболее понятной (и довольно жесткой) ступенью этой регламентации являются теплозащитные свойства ограждения. Всем известны и минимальные допустимые величины теплосопротивления конструкций, не так давно бывшие нормативно требуемыми, и оптимальные по технико-экономическим соображениям, которые, как известно, отсутствуют в сегодняшних нормах, и величины сопротивления, обуславливаемые требованием энергосбережения (оно-то в этих нормах единственно и присутствует). Наконец, известны максимально возможные теплосопротивления, характеризующие здания, чей энергетический цикл близок к замкнутому.

Графики влияния отдельных составляющих оболочки здания, а также ширины здания на установочную мощность инженерных систем, где в качестве реперной точки приняты значения, соответствующие действующим нормам, показывают, что увеличение сопротивления стен (и даже окон) теплопередаче свыше сегодняшних нормативных требований нецелесообразно - это не дает практически никакого эффекта. Наиболее разительным представляется воздействие степени остекленности фасада, а также ширины корпуса здания (сегодня все чаще говорят о показателе степени компактности здания, который уже вошел в московские региональные нормы).

Если по направлению изнутри наружу рассмотреть простейшую конструкцию (фактурный слой, кирпич, пенополистирольная теплоизоляция, фактурный слой) и сопоставить стоимость энергии со стоимостью теплоизоляции, то результаты данного анализа покажут: вычисленное по различным методикам значение оптимального сопротивления теплопередаче близко к заложенному в СНиП. Конечно, ситуация отсутствия в нормах технико-экономической оценки недопустима и должна быть устранена. Все-таки новая методика технико-экономической оптимизации должна базироваться на вероятностно-статистической модели.

О чем говорит совместный учет разных сроков окупаемости, коэффициента обеспеченности, широкой гаммы стоимости теплоизоляции? (Ведь мы, несмотря ни на что, хотим иметь надежную технико-экономическую методику оценки вариантов решения не только теплозащиты наружных ограждений, но всей совокупности инженерных средств, которая определяется термином "система кондиционирования микроклимата здания".) По-видимому, инженерные системы (отопления, вентиляции, кондиционирования, утилизации и аккумуляции тепла, а также управления всеми релевантными процессами) должны быть поливалентными - их комплекс должен включать как фоновые, так и пиковые системы. Принимая за отправную точку тот факт, что оборудованное этими системами здание можно считать коллектором - ловушкой для солнечной энергии, мы логически приходим к тому, что эти системы должны быть гибридными.

Оценка эффективности и оптимизация всей совокупности инженерных систем

Возвращаясь к упомянутому показателю "коэффициент эффективности", введение которого представляется достаточно целесообразным, стоит заметить, что эффективность следует рассматривать не только с точки зрения потребления энергии. На самом деле эффективность - это совокупный показатель вероятной способности системы обеспечивать выдерживание заданных расчетных внутренних условий.

Среди работ НИИСФ есть связанные с основами создания прикладной теории эффективности систем кондиционирования микроклимата зданий. В основу теории легли те разработки, которые включает теория надежности, в частности, вероятность безотказной работы. В свете данных предпосылок (и точки зрения НИИСФ) коэффициент эффективности определяется коэффициентом обеспеченности, коэффициентом надежности и коэффициентом управляемости. От данной группы показателей и зависят все отказы, которые могут иметь место, причем влияние охватывает все фазы жизни объекта - от начала его проектирования до окончания его эксплуатации. Коэффициент эффективности напрямую связан с технологическим и социальным ущербом, могущим иметь место в связи с отклонениями внутренних условий от расчетных. Этот-то ущерб и должен учитываться при решении задачи оптимизации. Если в состав приведенных затрат наряду с капвложениями и эксплуатационными расходами входит связанный с показателем эффективности ущерб, то область систем, для которых разрешается проводить совместную оптимизацию вариантов решений, значительно расширяется и включает в себя те варианты решений, сопоставление которых раньше считалось просто недопустимым.

Вопросы

- Выполнен большой объем расчетов, определяющих оптимальное термическое сопротивление конструкции. Отчего Россия, климат которой гораздо суровее, чем ряда европейских северных стран, останавливается на более низких нормативных показателях?

В. Б. Необходимо предпринимать технико-экономическую оптимизацию на основе вероятностной статистической модели. Все особенности климата, все особенности подхода к отдельным зданиям должны быть учтены в этой модели. Невзирая на имеющие место противоречия значения сопротивлений, по существу являющиеся оптимальными, и значения сопротивлений, принятые по новым нормам, по существу близки. Так, работающие в Перми специалисты по строительной физике учитывают и нестабильность рынка, и нестабильность условий, которые мы закладываем в расчет, то есть климатических, и сильное расхождение значений коэффициентов теплопроводности различных теплоизоляционных материалов. Что же касается вашего вопроса, то и немецкие, и норвежские нормы дают достаточно широкий диапазон варьирования термосопротивлений. Сделана попытка заложить нечто подобное и в вышеупомянутые московские региональные нормы. Предлагается оценивать здание в целом, рассматривая его как единую систему, и различными приемами, а не обязательно лишь увеличением сопротивления теплопередаче (и в основном стены) добиваться повышения теплозащитных свойств зданий и уменьшения потерь тепла.

- Очевидно, чем дороже энергоресурсы, тем должно быть выше термическое сопротивление зданий. Не предпринимались ли НИИСФ попытки обоснования данной ситуации, хотя бы для зданий КПД?

В. Б. В России существует и, вероятно, будет существовать и впредь тенденция приближения цен на энергоносители к мировым. Все же остальное подвержено случайным изменениям рыночной ситуации.

- Говоря о проблемах энергосбережения, все почему-то зацикливаются на ограждающих конструкциях. Но почему-то совсем не обсуждаются вопросы, связанные с системами отопления и вентиляции. Хотя, не решая этих вопросов, проектируя по старым нормам, мы не добьемся существенных сдвигов в решении проблем энергосбережения. Как в Москве и России работают по этим направлениям?

В. Б. Абсолютно с вами согласен. В экспериментальных жилых зданиях, которые сегодня проектируются, предусматриваются системы отопления с поквартирным распределением, учетом и регулированием тепла. Предполагается обязательная утилизация тепла выбросного воздуха, утилизация сбросов систем горячего водоснабжения. Имеется в виду устройство механической приточной системы вентиляции. Механическая вытяжка нужна - мы хотим сосредоточить весь низкопотенциальный нагретый воздух с тем, чтобы утилизировать это низкопотенциальное тепло. Но механический приток, особенно для жилого здания, чрезвычайно опасен - известно, что воздух, проходя через участки воздуховода, не говоря о камерах и других элементах, уже на пути в 1-2 м теряет свои положительные заряды электронов кислорода и по существу становится вредным для человека. Аверьянов (Санкт-Петербург) обращает на это внимание, и в проекте экспериментального здания им рассматривается вариант: компенсирующий приток осуществляется индивидуально или в отдельные комнаты или в отдельные квартиры. Рассматриваются варианты проектирования моноблока, в котором поэлементно производится и утилизация тепла выбросного воздуха, и приток с соответствующим подогревом.

- Температура теплоносителя в жилых комнатах предполагает нагрев воздуха до определенной температуры. Существует проблема сухой возгонки пыли. Делались ли какие-то расчеты взаимосвязи температуры теплоносителя и, например, термического сопротивления стены?

В.Б. Одной из основных тенденций, связанных с системами отопления, является понижение температуры теплоносителя. Что касается возгонки органической пыли, то я об этом знаю только на уровне отечественных учебников, где об этом написано не особенно доказательно. Но есть и другие связанные с заданным вопросом аспекты, например, желание использовать низкопотенциальное тепло без его дополнительной трансформации в теплонасосах. Существует и вторая задача нагревательного прибора в помещении. Не только компенсация теплопотерь, но и ликвидация дискомфортных зон, возникающих в связи с ниспадающими токами вдоль наружных ограждений. Хотя сейчас в связи с повышением сопротивления теплопередаче стен и окон влияние данного фактора несколько уменьшено, оно все равно имеет место. Многие специалисты склонны к сознательному занижению температуры теплоносителя. С одной стороны, при этом в большей степени удается утилизировать низкопотенциальное тепло, с другой - увеличить размеры отопительного прибора и решить задачу локализации наружного термального поля по всему объему помещения.

Сергей ЗОЛОТОВ