Авторами статьи предложены новые принципы проектирования наружной оболочки зданий и сооружений различного назначения с использованием активной рекуперации выходящего тепла и влаги. Кроме того, в статье анализируются предложения по использованию технологий активной рекуперации в существующих ограждающих и светопрозрачных конструкциях.
УДК 697
Т.А. АХМЯРОВ, ведущий специалист, научный сотрудник лаборатории «Энергосберегающие технологии в строительстве»; А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук, зав. лабораторией «Энергосберегающие технологии в строительстве»; И.Л. ШУБИН, доктор техн. наук, директор института, Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ) РААСН, г. Москва
Ключевые слова: энергосбережение, рекуперация, ограждающие конструкции, тепловой поток, воздухообмен, реновация
Keywords: energy conservation, heat recovery, building envelope, heat flow, ventilation, renovation
Результатом многочисленных исследований, проведенных в НИИ строительной физики в 2011-2014 годах, стала разработка новых принципов проектирования наружной оболочки зданий и сооружений [1, 2], предусматривающих активную рекуперацию выходящего тепла и влаги. Помимо 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 нами были:
— получены очень высокие показатели по рекуперации (возврату) уходящего из помещения теплового потока;
— определены оптимальные расстояния между теплозащитными экранами различного вида в наружной камере межстекольного пространства светопрозрачных конструкций;
— обеспечены условия образования плоской турбулентной струи в наружной камере межстекольного пространства;
— установлены минимальные расстояния между теплоотражающими 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 исследований в климатических камерах НИИ строительной 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 году, 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 светопрозрачных конструкций за счет так называемого «эффекта термошока»;
— обеспечение возможности регулирования и оптимизации тепловлажностного режима внутри энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) и энергоэффективных вентилируемых светопрозрачных ограждающих конструкций (ЭВСОК) в процессе их эксплуатации в зависимости от наружных условий;
— повышение теплотехнической однородности конструкций за счет изоляции воздушным потоком теплопроводных включений, а также повышение тепловой устойчивости ограждения.
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 разработанных нами конструкций ЭВОК и ЭВСОК при использовании их в отечественном строительстве следующие:
— малая материалоемкость, относительно невысокая стоимость, 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;
— возможность снижения требований к основной ограждающей конструкции – за счет применения новых принципов проектирования можно не увеличивать сопротивление теплопередаче существующих ограждающих конструкций, что очень перспективно при реконструкции и капитальном ремонте зданий различного назначения.
Перед Россией стоит сложная задача по реновации, повышению комфортности и тепловой модернизации большей части ранее построенных зданий, сооружений, а также инфраструктуры в городах и других населенных пунктах. С учетом огромного общего объема жилого фонда возникает 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 также обосновывается и тем, что в период с 1917-го по 2000 г. в стране было построено более 3,5 млрд кв. м только жилых зданий [6], энергетические потери в которых не отвечают современным требованиям. Так, по данным Минрегиона РФ за 2012 г., средние затраты на отопление в жилых зданиях на всей территории России составляли 350-380 кВт∙ч/кв.м в год. Это в 5-7 раз больше, чем в Германии и других странах ЕС. А в некоторых типах зданий в России затраты на отопление достигают 680 кВт∙ч/кв.м в год. Более того, по данным Мосгосэкспертизы, несмотря на то что в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003) для многоэтажных зданий, проектируемых для г. Москвы, для удельных затрат на отопление и вентиляцию был установлен предел в 95 кВт∙ч/кв. м в год, в построенных зданиях (что было установлено неоднократными проверками зданий, возведенных в 2003-2010 гг.) эти затраты находились на уровне 150-180 кВт∙ч/кв.м 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 чрезвычайно опасной с точки зрения энергетической безопасности страны.
Известно, что в середине 2000-х годов в ряде регионов была запущена программа по реновации и санации жилых зданий, построенных в 1960-1970-х. 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 заинтересованными 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 были приняты изменения в законодательство, касающиеся капитального ремонта зданий, которые предполагают софинансирование этих работ собственниками жилых помещений. Кроме того, Минстроем РФ и правительством г. Москвы практически подготовлен 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, в том числе и разработанные авторами в НИИ строительной физики.
Авторы считают, что после разработки первых конструкций с использованием некоторых технологий активного энергосбережения, энергетическая эффективность которых была показана в предыдущих статьях [3-5], необходимо продолжить исследования в направлении максимального использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, инновационных систем вентиляции и отопления, а также других инженерных систем, обеспечивающих повышенный уровень комфортности микроклимата помещений и эффективности и удобства эксплуатации.
При внедрении в практику отечественного строительства разработанных нами 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 районов 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;
— 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.
Сегодня имеются все современные принципиальные технические и технологические решения, с помощью которых возможно эффективно решить многочисленные проблемы, возникающие на этом пути. Например, 2 мая 2015 г. компания Tesla анонсировала выпуск компактных высокоэффективных аккумуляторов Power Wall (10 кВт∙ч) и Power Pack (100 кВт∙ч), которые помогут решить вопросы сохранения солнечной и ветровой энергии в том числе в автономных зданиях, расположенных в местностях, где отсутствуют централизованные источники энергоснабжения (см. рис.).
НИИ строительной физики планирует в ближайшее время провести целую 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 Российской Федерации.
Авторы приглашают заинтересованных специалистов и организации к сотрудничеству в этой необычайно актуальной области.
Библиографический список
1. Ахмяров Т.А., Беляев В.С., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла // Энергосбережение, № 4, 2013, 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, № 6, 2014, 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, № 10, 2014, с. 38-42.
4. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Энергоэффективные вентилируемые светопрозрачные ограждающие конструкции // Энергосбережение, № 8, 2014, с. 62-65.
5. Ахмяров Т.А., Лобанов В.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Эффективность вентилируемых ограждающих и светопрозрачных конструкций с активной рекуперацией выходящего теплового потока // Жилищное строительство, № 3, 2015.
6. Шубин И.Л., Спиридонов А.В. Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли // Энергосбережение, № 1, 2013, с. 15-21.
7. Терентьев Д.М. Повышение энергоэффективности зданий, строений и сооружений. Задачи Минстроя России // Энергосбережение, № 3, 2015, с. 18-21.
