Системный подход к энергосбережению в жилых зданиях

Сообщение, сделанное заместителем директора ГП НИПТИС по научной работе Л. Н. Данилевским 17 февраля 2000 г. на международной научно-практической конференции "Решение проблем вентиляции и отопления при строительстве, модернизации и реконструкции зданий"

Важную роль в энергоснабжении зданий с низким уровнем теплопотерь играют окна. Специалистами ГП НИПТИС предложен подход к выбору типов окон, основанный на учете потерь зданиями тепла через стены. Исходя из значения термосопротивления стены, предлагается выбрать значение термосопротивления окон таким образом, чтобы значение теплового баланса (разность между теплопотерями и теплопоступлениями через окна) не превышало уровня теплопотерь через стену на единицу площади. В таблице 1 приведены значения уровня теплопотерь для стены с нормативным термосопротивлением, равным 2,5 (м2) .( oC)/Вт, и тепловой баланс, то есть разность между потерями тепловой энергии через окна различного типа и поступлением через них солнечной энергии в течение отопительного сезона (в кВтч/м2). Исходя из значения термосопротивления стены, мы можем выбрать значение термосопротивления окон таким образом, чтобы значение теплового баланса (разность между теплопотерями и теплопоступлениями через окна) не превышало уровень теплопотерь через стену на единицу площади. В таблице 2 представлены значения термосопротивлений стен и найденные по предложенной методике соответствующие им типы окон.

Таблица 1

Тип окон	2к	3к	4к	2-с-а	2с	3-с-а	3-с-к	Стена
Север	180	94	58	55	69	27	31	40
Восток	136	56	26	21	36	6	8
Юг	58	-10	-32	-37	-22	-32	-6
Запад	133	54	24	29	34	4	7
Ср. знач.	127	48	19	17	29	1	15

Таблица 2

Rст	1	2,5	5	7,5
Rок	2к	3к,2с	4к, 2-с-а	3-с-а, 3-с-к

Таблица 3

	DQ, кВтч/м2в месяц, при h=60%/ h=80%
Тип окон	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	Январь	февраль	Март	Апрель
2-к	-1,5/-2,4	1,35/0	3,25/1,6	3,85/2	2,15/0,25	-1,55/-2,3	-3,9/-4,4
3-к	-2,2/-3,1	0,25/-1,1	1,89/0,24	2,19/0,29	0,7/-1,1	-2,45/-3,2	-4,3/-4,8
2-с	-2,3/-3.2	-0.05/-1.4	1.15/-0.5	1.5/-0.35-	0.3/-1.5	-2.55/-3.3	-4.2/-4.7
3-с-а	-2.4/-3.3	-0.85/-2.2	0.25/-1.4	0.55/-1.3	-0.2/-2	-2.6/-3.35	-3.75/-4.3
3-с-к	-2.2/-3.1	-0.75/-2.1	-0.05/-1.6	0.55/-1.3	-0.05/-1.9	-2.05/-2.8	-3.2/-3.7

Таблица 4

	R, (м2).(°С)/Вт, h=60%/ h=80%
Тип окон	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	Январь	февраль	Март	Апрель
2-к	4,57/2,9	--/--	--/--	--/--	--/--	4,4/ 3	1,8/ 1,6
3-к	3,1/2,2	--/6,23	--/--	--/--	--/ 6,2	2,8/ 2,1	1,7/1,4
2-с	3/2,1	137/4,9	--/13,7	--/ 19,6	--/ 4,5	2,7/ 2,1	1,6/ 1,5
3-с-а	2,9/2,1	8,1/3,1	--/4,9	--/ 5,3	34/ 3,38	2,6/ 2	1,8/ 1,65
3-с-к	3,1/2,2	9,2/3,3	--/4,3	--/ 5,3	137/ 3,7	3,1/ 2,4	2,1/1,8

Данные, приведенные в таблицах 3 и 4, неявно предполагают равномерное распределение остекляющей поверхности по сторонам света. Дальнейший прогресс в улучшении теплофизических характеристик окон может быть достигнут по нескольким направлениям.

Во-первых, освоение технологии нанесения полупроводниковых слоев на поверхность стекол обеспечило бы высокую теплоотражающую способность в инфракрасном диапазоне, сохранив при этом не менее высокую способность к пропусканию света в видимом диапазоне. Это позволило бы улучшить тепловой баланс через окна и снизить требования к остальным элементам дома с низким потреблением энергии. Во-вторых, путем изменения наклона окна при установке его в стеновой конструкции может быть достигнуто снижение конвективной составляющей теплообмена. В-третьих, теплофизические характеристики окна зависят от качества сопряжения рамы и стеклопакета, в том числе оптимизации глубины установки стеклопакета в раме. В-четвертых, эти характеристики зависят от качества сопряжения окна и оконной коробки с фасадом здания. В-пятых, перспективным представляется освоение конструкций окон с использованием дерева в композиции с пенополиуретаном.

Исследование теплового баланса зданий с учетом внутренних источников тепла и солнечной энергии, поступающей через окна, позволил сформулировать требования к теплозащите ограждающих конструкций и инженерному оборудованию, обеспечивающим существенное снижение энергопотерь здания.

По оценкам специалистов ГП НИПТИС внутренние источники тепла в современном здании дают около 4 кВтч тепловой энергии на 1 м 2 площади здания.

Кроме того, дальнейшее снижение энергопотерь зданий связано со снижением уровня инфильтрационных теплопотерь. Компенсация этих потерь возможна с помощью известных технических решений путем организации в помещениях полностью контролируемого воздухообмена с использованием системы рекуперации тепла уходящего из помещений воздуха теплообменником воздух-воздух. Без использования принудительной приточно-вытяжной системы вентиляции с рекуперацией тепла уходящего воздуха минимальный уровень теплоснабжения зданий в течение отопительного сезона не может составлять менее 50 кВтч/м 2.

Однако применение системы принудительной вентиляции в зданиях накладывает ряд ограничений на уровень свободного воздухообмена. Помимо того, что должна быть задана определенная герметичность здания, необходимо создание нормативной и измерительной базы, позволяющей осуществить контроль герметичности.

При рекуперации 80% тепла уходящего воздуха и наличии окон, качество которых не ниже 3-с-а, возможна реализация идеи так называемого пассивного дома при условии термосопротивления прочих ограждений не ниже 5,3 (м 2) .( оС)/Вт.

Наличие принудительной приточно-вытяжной вентиляционной системы с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха позволяет и при более низких термических сопротивлениях ограждающих конструкций уменьшить продолжительность отопительного сезона на 2 - 4 месяца.

В таблице 3 представлены данные, иллюстрирующие возможность проектирования зданий с уменьшением времени отопительного сезона относительно нормативного периода. Основной предпосылкой является использованием системы рекуперации тепла уходящего из помещений воздуха. Для существования без отопления теплопотери через стены не должны превышать остатка тепловой энергии в помещении.

Очевидно, что отрицательный баланс для всех месяцев отопительного сезона выполняется только для окон не хуже 2-с при условии 80%-ной рекуперации тепла уходящего воздуха. Тем не менее, есть месяцы, когда отрицательный баланс выполняется для всех типов окон и при КПД систем рекуперации, равном 60%.

В таблице 4 представлены значения термосопротивления стен, обеспечивающего возможность нулевого баланса теплопотерь для промежуточных этажей многоэтажного дома и данных таблицы 3.

Из таблицы 4 видно, что решить проблему строительства пассивного дома можно только при условии использования окон с характеристиками не ниже 3-с-а и наличия принудительной системы вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха с коэффициентом полезного действия не менее 80%. При этом термосопротивление ограждающих конструкций промежуточных этажей здания должно быть не менее 5,3 (м 2) .( оС)/Вт.

В то же время можно говорить об уменьшении времени отопительного сезона для всех вариантов, рассмотренных в таблице, тем самым ставя вопрос снижения энергопотребления зданий. К примеру, используя окна 3-к, соответствующие современным требованиям к термическому сопротивлению, при наличии принудительной системы вентиляции с КПД рекуперации тепла уходящего из помещений воздуха не менее 60% и стеновых конструкций с термическим сопротивлением более 3,1 (м2) .(оС)/Вт продолжительность отопительного сезона можно уменьшить до 4-х месяцев.

Для тех же условий и системы вентиляции с КПД рекуперации тепла уходящего из помещений воздуха не менее 80% при термическом сопротивлении стеновых конструкций более 6,2 (м2) .(оС)/Вт продолжительность отопительного сезона можно уменьшить до 2-х месяцев. В целом теплопотери здания, которые необходимо компенсировать отоплением, составят около 20 кВтч за отопительный сезон.

Освоение новых конструкций окон типа 3-с-а или 3-с-к при наличии принудительной системы вентиляции с КПД рекуперации тепла уходящего из помещений воздуха не менее 80% и при термическом сопротивлении стеновых конструкций более 5,3 (м2) .(оС)/Вт решает проблему реализации идеи пассивного дома в течение всего отопительного сезона.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ