Особенности современных зданий

Продолжение. Начало в СиН от 10 и 17 февраля 2009 г.

Тепло как признак цивилизованности
В нормальном помещении, рассчитанном на пребывание человека без верхней одежды, должно быть достаточно тепло. Так в теории. На практике же зачастую даже в солидном учреждении приходится заниматься делами едва ли не в тулупе. А потом дрожать от холода дома и мечтать о лете. К сожалению, культура отопления, которая в значительной степени определяет здоровье людей, у нас пока не на должной высоте. Значит, и для того надо становиться богатыми, чтобы оснащать здания современным отопительным оборудованием. Всевозможных вариантов его, в том числе издевательски наукоемких и совершенных, на Западе разработано столько, что впору воскликнуть: «С жиру бесятся!».

Само собой разумеется, что при столь продвинутой технике следует иметь эффективную теплозащиту здания. Иначе нет особого смысла без конца улучшать отопительное оборудование. Словом, теперь архитектура без техники – ничто. И наоборот.

В зажиточных странах все большую популярность приобретают такие средства получения тепла, как конденсационные котлы, работающие на газе или жидком топливе, котлы, работающие на древесных гранулах, тепловые насосы и преобразователи солнечной энергии. Встречается кое-что из этого семейства и в Беларуси. Однако общей картины нашей недостаточной отопительной развитости этот факт не искажает.

Полезная конденсация
Если конденсация водяного пара на ограждающих конструкциях или внутри их чаще всего влечет за собой негативные последствия, то в выработке энергии конденсационными котлами она играет положительную роль. При их работе дополнительная энергия, словно премия для дальновидных и экономных, возникает в результате конденсации водяных паров, которые в случае других котлов, говоря упрощенно, просто вылетают в трубу. Тепло, выделяющееся при указанной конденсации, когда температура уходящих газов снижается до 50–60 градусов, передается теплоносителю системы отопления через теплообменник с развитой поверхностью. И если в обычном котле из топлива, образно выражаясь, извлекается примерно 70 процентов содержащейся в нем тепловой энергии, то в конденсационном – около 90 процентов. Неплохой бонус, не так ли?

Лучше понять, что такое конденсационный котел, дает возможность одна из его принципиальных схем (рисунок 1). Здесь: 1 – камера сгорания, 2 – корпус для теплоносителя (воды) с оребрением, 3 – приток воздуха, 4 – отвод уходящих газов, 5 – вентилятор, 6 – вход холодной воды, 7 – выход горячей воды.

Важное достоинство конденсационной техники заключается и в том, что она экологически чиста: в частности, не способствует глобальному потеплению и не поддерживает рождение кислотных дождей. А поскольку полезный конденсат обладает низкой кислотностью, его можно удалять через общую канализационную систему дома.

Здоровая пища для котлов
Так как ископаемые энергоносители имеют склонность дорожать, нарастающий интерес – опять же на Западе и в некоторой степени в России ввиду огромных запасов там древесины – вызывает такой вид экологически чистой и возобновляемой топливной биомассы, как древесные гранулы – пеллеты. Пеллеты являются спрессованными деревянными цилиндриками примерно таких размеров: диаметр 4–10 мм, длина 20–50 мм. Часто их изготавливают из опилок и стружек – причем без добавления связующих веществ. При сжигании тонны пеллет выделяется приблизительно столько же тепла, что и при сжигании 1,6 тонны дров, 480 кубометров газа или 685 литров мазута.

Любопытно, что Швеция, сама ежегодно производящая более миллиона тонн пеллет, еще и импортирует их из Канады. В той же Швеции идет процесс замены мазутных горелок существующих систем отопления на горелки для пеллет. Применение этого топлива в центральных системах имеет место в Австрии, где оно намного дешевле нефтепродуктов. Видимо, и в Беларуси следует побольше использовать котлов, работающих на пеллетах. Тем более что объем потребления дров у нас довольно велик.

Тепло можно извлекать даже из холода
Пожалуй, для непосвященных самыми загадочными преобразователями возобновляемой энергии представляются тепловые насосы. Дело в том, что в случае отопительных систем с их участием три четверти энергии идет на отопление помещений и берется она просто из окружающей среды. А четверть энергии – это питание самих тепловых насосов, которые бывают электрическими или газовыми. Эта техника трансформирует тепло низкопотенциального источника (грунт, вода, воздух) в энергию того уровня, который годится для ее использования в целях отопления. Причем благодаря компрессору тепловой насос работает даже при отрицательных температурах наружного воздуха. Важно также, что современные теплонасосные системы в теплое время года можно использовать и для охлаждения. Что касается экономической стороны дела, то за счет бесплатного тепла окружающей среды и низкого потребления энергии на собственную работу тепловые насосы окупаются в промышленно развитых странах всего лишь за несколько лет. Недостаток теплонасосных систем в том, что они дороже отопительной техники, работающей, скажем, на газе. Зато в эксплуатации они раза в два дешевле. И это обстоятельство гарантирует постоянное увеличение их спроса.

Божественная энергия
Удивительно, но в Беларуси для получения тепла в жилых и общественных зданиях практически не используется солнечная энергия – энергия не просто экологически чистая, а животворящая. Кроме того, она совершенно бесплатная. Денег стоят лишь технические средства по ее преобразованию. Причем не самых больших денег. Гелиосистемы, главными элементами которых служат солнечные коллекторы, требуют намного меньших капиталовложений по сравнению с другой техникой по использованию возобновляемой энергии, эти системы к тому же просты в эксплуатации и безопасны в пожарном отношении.

А ведь потенциал солнечной энергии в республике вполне достаточен для горячего водоснабжения – по крайней мере малоэтажного жилья – с апреля по сентябрь. Если же белорусский коттедж с повышенной теплозащитой и рекуперативной вентиляцией снабдить системой межсезонного аккумулирования тепла, то солнечной энергии может хватить и на его отопление. Но, увы, дальше немногочисленных и дешевых экспериментов дело у нас пока не движется.

В то же время, к примеру, в Германии все иначе. Там правительство издавна поощряет установку гелиосистем. Неслучайно поэтому немцы частенько экспериментируют и в этой сфере. На фото 1 – ставший уже классикой экспериментальный вращающийся дом в городе Райне. Этой постройке своими солнечными панелями положено быть обращенной к солнцу. На фото 2 – фрагмент опорной части этого дома, расположенной в подвале.

Гелиотехнику все чаще объединяют в единые отопительные системы с другим оборудованием – котлами и тепловыми насосами. На рисунке 2 – пример комплексной системы. Здесь: 1 – солнечная панель, 2 – бак-аккумулятор для нагретой солнечными лучами воды, 3 – тепловой насос, который может быть в паре с газовым котлом.

Проветривание как стиль жизни народа
Итальянец Витторио Беарци в статье «Жилая застройка в естественном воздушном цикле», опубликованной в журнале RCI еще в 1996 году, написал, что о стиле жизни какого-либо народа можно судить по тому, как принято у него организовывать смену воздуха в помещении. В белорусской столице даже в каменных хоромах, где учатся будущие проектировщики, оконные швы тщательно заклеивают толстой бумагой, а отверстия вентиляционных каналов заделывают. Возможно, пещеры, в которых жили наши пращуры, проветривались лучше. Стало быть, в смысле потребления свежего воздуха стиль жизни определенной части нашего населения едва ли превзошел стиль жизни пещерного человека. Тем более что он проводил под открытым небом гораздо больше времени, чем его современный собрат.

А ведь с давних пор известно, что вентиляция в помещениях нужна по трем главным причинам: для притока кислорода, чтобы можно было нормально дышать, удаления продуктов того же дыхания (прежде всего углекислого газа и водяных паров) и всевозможных загрязняющих веществ, в том числе ядовитых. Да и неприятные запахи – родимого перегара, к примеру – не мешает из помещений изгонять. Если же вентиляционный воздухообмен хронически слаб или вовсе отсутствует, человек неизбежно чахнет и теряет интерес к свободной и насыщенной жизни. Стало быть, качественная вентиляция – одна из важнейших характеристик не только современных зданий, но и дееспособности общества.

Без принуждения не обойтись
Любопытно, что, согласно стандарту ASHRAE 55-56 (США), тепловой комфорт, в достижении которого существенную роль играет вентиляция, – это такое состояние человека, удовлетворенного условиями окружающей среды, при котором он не знает, нужно ли изменять условия этой среды, чтобы сделать ее более теплой или более холодной.

К сожалению, далеко не всегда удается добиться столь приятного неведения лишь за счет естественного проветривания, которое происходит в наших обычных зданиях главным образом благодаря наличию щелей в окнах и вентиляционных каналов с входными отверстиями в кухнях и санузлах. Ибо погода в целом и ветер в частности переменчивы, вследствие чего естественный воздухообмен получается либо недостаточным, либо избыточным. И то, и другое плохо. Недобор портит здоровье, перебор во время отопительного сезона влечет за собой дополнительные теплопотери. Кроме того, наивно ожидать смягчения требований к теплозащите зданий. Не за горами то время, когда о неконтролируемом поступлении наружного воздуха через окна вообще придется забыть.

Следовательно, отличительной чертой современного здания становится эффективный принудительный воздухообмен, осуществляемый с помощью вентиляторов. Такая механическая вентиляция может быть вытяжной, приточной и приточно-вытяжной. Последние два типа можно комбинировать с воздушным отоплением или заменять системой кондиционирования. В случае вытяжной вентиляции механическими средствами обеспечивается вытяжка воздуха, в случае приточной – приток, в случае приточно-вытяжной – то и другое. На фото 3 – еще не закрытые вертикальной обшивкой и подвесным потолком части вентиляционной системы строящегося объекта.

Разумеется, в интерьере и экстерьере здания вентиляционные и кондиционерные системы, как и системы отопления, не должны, по крайней мере, занимать много места и иметь пугающий вид. На фото 4 – один из современных вильнюсских домов, вывод труб из которого выполнен не без проявления архитектурной смекалки.

Приток и вытяжка едины
На Западе все большее распространение получает приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты уходящего воздуха. В данном случае, когда механическими являются и вытяжка, и приток, вытяжной воздух нагревает приточный.

Главным элементом подобной регулируемой системы воздухообмена служит центральный вентиляционный агрегат, включающий фильтры для очистки воздуха, вентилятор для отвода отработанного воздуха, теплообменник (рекуператор) и управляющие электронные средства. Целесообразно применять экономичные вентиляторы с постоянным расходом, поскольку они потребляют мало электроэнергии, пригодны для разных режимов эксплуатации и не сильно шумят. Эффективная утилизация тепла отработанного воздуха осуществляется посредством, например, перекрестно-точных теплообменников. (На фото 5 – подобный рекуператор сравнительно небольшой мощности, который может обслуживать помещения площадью до 150 квадратных метров.) Приточный воздух одним вентилятором подается в детские комнаты, спальни и другие «чистые» помещения. Другим вентилятором осуществляется вытяжка из кухонь, санузлов и других «грязных» или не очень «грязных» помещений.

Ночью или рано утром в теплое время года в здание мимо теплообменника через байпас (обходной канал), который встроен в центральный вентиляционный агрегат, может подаваться охлажденный наружный воздух. При этом байпас следует оснастить автоматическим регулятором, срабатывающим при заданной температуре этого воздуха.

Тепловой насос забирает все
На рисунке 3 показана схема исключительно эффективной приточно-вытяжной теплообменной вентиляции с тепловым насосом «воздух-воздух». Здесь: 1 – наружный воздух, 2 – нагретый приточный воздух, 3 – вытяжной воздух, 4 – удаляемый наружу вытяжной воздух, А – кухня, Б – санузел, В – жилая комната. Представленная вентиляционная система позволяет извлечь из отработанного вентиляционного воздуха чуть ли не 100 процентов тепловой энергии. Перекрестно-точный теплообменник и тепловой насос соединяются простым насаживанием и образуют один компактный агрегат в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом испаритель и конденсатор теплового насоса примыкают с обеих сторон к теплообменнику.

Работает система следующим образом. Сначала в перекрестно-точном теплообменнике из отработанного воздуха извлекается до 70 процентов тепловой энергии и передается более холодному отфильтрованному приточному воздуху. Затем испаритель теплового насоса забирает остатки тепловой энергии и через конденсатор дополнительно нагревает приточный воздух. Движение воздуха осуществляется за счет двух вентиляторов, причем воздухообмен происходит относительно тихо и без раздражающих сквозняков. Показательно, что система приточно-вытяжной вентиляции с перекрестно- точным теплообменником и тепловым насосом «воздух-воздух» способна полностью обеспечить теплом здание с низким энергопотреблением в переходные периоды года. Система же отопления включается при температуре наружного воздуха ниже 7 градусов.

И кондиционирование в придачу
В современных зданиях – прежде всего административных и офисных – уместно предусматривать и кондиционирование воздуха. В чем его отличие от вентиляции? Посредством вентиляции в помещениях осуществляется необходимый воздухообмен с целью поддержания требуемых параметров внутреннего воздуха. При этом система вентиляции, как было сказано выше, может быть совмещена с системой воздушного отопления.

У систем кондиционирования более широкие возможности. Помимо вентиляции и отопления, такие системы обеспечивают самый благоприятный внутренний микроклимат как в холодное, так и в теплое время года. Подготовка воздуха в системе кондиционирования включает его охлаждение, нагрев, увлажнение или осушение, очистку с помощью, в частности, фильтрации и ионизации. Важно, что кондиционирование гарантирует поддержание в помещениях заданных параметров внутреннего воздуха вне зависимости от климатического состояния внешней среды.

Очевидно, принудительная вентиляция и кондиционирование – вещи хорошие. Однако никогда не стоит забывать о естественной вентиляции, тем более в теплое время года. Словом, не природа должна обслуживать технику, а техника – природу.

(Продолжение следует)

Дмитрий ЖУКОВ, канд. техн. наук Фото автор