Роль ограждающих конструкций в формировании микроклимата зданий

В статье рассматриваются вопросы достижения комфортности за счет конструкции и теплозащиты здания в сочетании с отопительно-вентиляционными устройствами, а также за счет свойств строительных материалов.

УДК 692

А.Л. СИДОРОВ, главный специалист, институт ОАО «Брестпроект» (Беларусь)

Под микроклиматом помещения понимают климат ограниченного пространства, который представляет собой совокупность следующих параметров среды: температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха, освещенности, шума, аэроионов, содержания в воздухе газов, а также взвешенных частиц пыли и микроорганизмов. Перечисленные параметры оказывают существенное влияние на физиологические процессы в организме людей, их здоровье. Окружающая среда, которая не содержит раздражающих и возбуждающих факторов, препятствующих физической и умственной работе, а также отдыху, принято называть комфортной.

В значительной мере достижимая степень комфортности ранее обеспечивалась за счет конструкции и теплозащиты здания в сочетании с относительно простыми отопительно-вентиляционными устройствами.

Теперь установленные нормативными документами параметры микроклимата в помещениях зданий различного назначения и воздушно-тепловой режим определяются не только работой систем отопления и вентиляции, но и архитектурно-планировочными и конструктивными решениями этих зданий, а также теплофизическими характеристиками ограждающих конструкций.

В формировании микроклимата большое значение имеют строительные материалы. Они должны быть малотеплопроводными и обеспечивать достаточное термическое сопротивление и теплоустойчивость ограждений, обладать достаточной воздухопроницаемостью, микроскопической пористостью и достаточной огнестойкостью, обеспечивать прочность сооружения, быть дешевыми и легкодоступными в местных условиях; не обладать гигроскопичностью и влагоемкостью.

В современных зданиях обеспечение внутренних комфортных условий представляет сложную техническую задачу. Увеличение этажности здания приводит к существенному изменению перепада давления воздуха снаружи и внутри здания по его высоте. В результате возникает вертикальное перетекание воздуха и интенсивное газовое и бактериологическое загрязнение верхних этажей, переохлаждение нижних этажей и повышение опасности их радонового загрязнения.

Вентиляция и отопление помещений способствуют нормализации влажностного режима помещения, а следовательно, увеличению долговечности ограждений.

Усиление герметичности заполнений световых проемов, желательное из условия энергосбережения, актуализирует проблему вентиляции помещений, особенно в жилых зданиях массовой застройки, в которых проветривание ведется естественным путем. Вместе с тем требование интенсивного вентилирования современных помещений связано с применением как новых отделочных материалов ограждений, так и синтетических материалов мебели, оборудования, оргтехники, акустических и видеосистем.

Одно из актуальных требований – повышение энергетической эффективности зданий реализуется прежде всего за счет усиления их теплозащиты. Усиление теплозащиты прямо сказывается на улучшении теплового комфорта помещений в холодное время года. Кроме того, уменьшение тепловой нагрузки на отопление при усилении теплозащиты позволяет понизить температуру теплоносителя. Это приводит к улучшению теплового комфорта и качества воздуха в помещении.

Как упоминалось выше, микроклимат помещения характеризуется комплексом параметров, определяющих тепловое состояние помещения и газовый состав воздуха в нем. Параметры микроклимата формируются под воздействием на помещение потоков теплоты, влаги, газовых примесей.

Перечисленные потоки поступают в помещение через наружные ограждения из наружной среды, через внутренние ограждения из соседних помещений здания и от внутренних источников, действующих в технологическом процессе. При взаимодействии с объемом помещения потоки трансформируются и преобразуются, вызывая изменение соответствующих параметров микроклимата. Отклонение параметров от заданных значений компенсируется системами отопления-охлаждения и вентиляции, которые, в свою очередь, также подают в помещение потоки тепла, влаги и свежий воздух, нейтрализующие вредные воздействия на микроклимат.

Влажностный режим ограждающих конструкций тесно связан с их тепловым режимом. С повышением влажности строительных материалов повышается и их способность проводить теплоту. Следовательно, при прочих равных условиях сырые ограждения будут иметь пониженные теплозащитные качества по сравнению с такими же, но сухими ограждениями. Переувлажнение ограждения приводит не только к выпадению конденсата, но и к его замерзанию, так как основная часть зоны конденсации находится в области отрицательных значений температуры. А многократное чередование оттаивания и замерзания является в конечном счете причиной разрушения конструкции.

От теплотехнических качеств наружных ограждений зависят теплопотери здания, влияющие на мощность отопительных систем и расход теплоты ими за отопительный период. Влажностный режим наружных ограждений влияет на их теплозащиту, а следовательно, на мощность систем, обеспечивающих заданный микроклимат здания. Коэффициенты теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений играют роль не только в оценке общего приведенного сопротивления теплопередаче конструкции, но и в оценке температуры на внутренней поверхности этого ограждения.

Так называемые «плотные» окна имеют вполне определенное сопротивление воздухопроницанию. И при «плотных» окнах в малоэтажных зданиях до 5 этажей инфильтрацией в расчете теплопотерь можно пренебречь, а в более высоких зданиях на нижних этажах она уже будет ощутимой. От воздушного режима здания зависит не только наличие или отсутствие инфильтрации, но и работа систем вентиляции, особенно естественных. Радиационная температура внутренних поверхностей наружных и внутренних ограждений – важнейшая составляющая оценки микроклимата помещений и в основном является производной от теплозащиты здания. Теплоустойчивость ограждений и помещений влияет на постоянство температуры в помещениях при переменных тепловых воздействиях на них, особенно в современных зданиях, в которых воздухообмен близок к минимальной норме наружного воздуха.

В проектировании и теплотехнической оценке наружных ограждений имеется ряд особенностей. Утепление здания – дорогостоящая и ответственная составляющая современного строительства, поэтому важно обоснованно принимать толщину утеплителя. Специфика сегодняшнего теплотехнического расчета наружных ограждений связана с повысившимися требованиями к теплозащите зданий; с необходимостью учитывать роль эффективных утеплителей в ограждающих конструкциях, коэффициенты теплопроводности которых настолько малы, что требуют очень аккуратного отношения к подтверждению их величин в эксплуатационных условиях; с тем, что в ограждениях появились различные связи, сложные примыкания одного ограждения к другому, снижающие сопротивление теплопередаче ограждения.

Ограждения не только защищают помещение от наружной среды, но и обмениваются с ним теплотой и влагой, пропускают воздух сквозь себя как внутрь, так и наружу. Задача поддержания заданного теплового режима помещений здания (поддержания на необходимом уровне температуры и влажности воздуха, его подвижности, радиационной температуры помещения) возлагается на инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако определение тепловой мощности и режима работы этих систем невозможно без учета влияния тепловлагозащитных и теплоинерционных свойств ограждений. Поэтому система кондиционирования микроклимата помещений включает в себя все инженерные средства, обеспечивающие заданный микроклимат обслуживаемых помещений: ограждающие конструкции здания и инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Таким образом, современное здание – сложная взаимосвязанная система тепломассообмена – единая энергетическая система.

Нельзя забывать о таком важном параметре, как требуемый воздухообмен помещений (иначе говоря, их вентиляция), необходимый для поддержания требуемого уровня микроклимата в помещениях. При вентиляции происходит удаление пыли, бактерий, лишней влаги, поддерживается уровень кислорода в необходимой для нормальной жизнедеятельности и работоспособности концентрации. В зимний, и в общем случае в любой период, в течение которого производится отопление помещений, энергия затрачивается в том числе на подогрев входящего холодного воздуха, причем в достаточно значительных количествах. При этом требуемый уровень воздухообмена необходим как в «холодных» домах, так и в «теплых». Отсюда следует, что как бы мы ни утепляли здание, а расход энергии на вентиляцию без использования специальных инженерных методов уменьшаться от этого не будет, и чем теплее у здания будет «шуба», тем большими в относительном выражении будут затраты на вентиляцию.

В современных домах затраты энергии на вентиляцию и инфильтрацию составляют до 40-50% всех расходов энергии на отопление зданий, а в отдельные, наиболее холодные периоды времени года, могут достигать до 60%.

Под понятием энергоэффективности в жилищном строительстве понимается комплекс мероприятий, направленных на снижение потребления зданиями энергии и поддержание требуемых параметров микроклимата при экономическом обосновании их внедрения. Таким образом, понятие энергоэффективности неразрывно связано с вопросами энергосбережения.

Казалось бы, данный вопрос решается несложным образом. Чем меньше здание теряет тепла, тем меньшее количество энергии требуется подвести для восполнения тепловых потерь. В этой связи, на первый взгляд, наиболее простым и рациональным способом экономии энергии на отопление выглядит способ увеличения теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

Переход в массовом жилищном строительстве на герметичные окна со стеклопакетами наряду с положительными факторами, такими как уменьшение теплопотерь и улучшение акустических характеристик жилища, привел к ухудшению воздушного режима помещений с традиционными системами естественной вентиляции. С введением новых нормативных требований к теплозащите наружных ограждающих конструкций здания доля трансмиссионных потерь теплоты в тепловом балансе значительно снизилась и, соответственно, расход теплоты на нагрев наружного воздуха для вентиляции вырос и достигает 50-60%. В современных зданиях при полностью закрытых окнах инфильтрация незначительна – на порядок ниже требуемого по нормативам воздухообмена. Старые окна в деревянных переплетах обладают в несколько раз большей воздухопроницаемостью, чем современные металлопластиковые конструкции со стеклопакетами.

Полностью закрытые деревянные окна обеспечивают режим инфильтрации, близкий к нормативному уровню воздухообмена в квартирах, и только при низких наружных температурах возникает необходимость в заклеивании переплетов. Учитывая малый размер щелей в окнах и их большую протяженность, наружный инфильтрирующийся воздух быстро смешивается с конвективным потоком от отопительных приборов и не создает в большинстве случаев дискомфортных зон.

К сожалению, в целом прогрессивные новые строительные требования к ограждающим конструкциям не были своевременно поддержаны изменением требований к системам вентиляции жилых многоэтажных зданий.

Распространенные в Западной Европе окна с откидной фрамугой по всей высоте окна в наших условиях мало пригодны для комфортной естественной вентиляции, т.к. поток холодного наружного воздуха поступает в помещение с уровня нижней отметки окна сосредоточенно, не успевает нагреться конвективными потоками отопительного прибора и выхолаживает нижнюю зону помещения, создавая чувства «сквозняка». Мощность конвективных потоков от отопительных приборов в современных зданиях примерно в 1,5 раза меньше, чем в старых домах. Это также больше дискредитирует систему естественной вентиляции в современных зданиях. Регулирование объемов приточного воздуха с помощью открывания фрамуг стабилизирует работу системы вентиляции, но часто приводит к выхолаживанию нижней зоны помещений. Попытки на верхних этажах зданий устанавливать бытовые вентиляторы в вытяжные проемы туалетов, ванных комнат, кухонь не привели к серьезному улучшению работы вентиляции, так же как и устройство центральных систем вытяжной механической вентиляции. Из-за несбалансированности объемов приточного и вытяжного воздуха эти системы работают неустойчиво.

Сформулируем основные положения, которые должны определять подходы к системам вентиляции многоэтажных жилых зданий: 1. Расход теплоты на вентиляцию современных квартир соизмерим, а в ряде случаев превышает трансмиссионные теплопотери жилых зданий. 2. Система вентиляции – один из основных факторов инженерного обеспечения зданий, который определяет комфортность среды обитания и здоровье жителей. 3. Жители должны иметь возможность контролировать и регулировать воздухообмен вне зависимости от гравитационного и ветрового перепада давления в квартире и снаружи. 4. Организация воздухообмена не должна приводить к ухудшению акустического режима и должна предусматривать меры как по защите от «городского» шума, так и от шума, генерируемого системами механической вентиляции. 5. Движение воздуха в квартире должно быть организовано так, чтобы направление потоков приточного воздуха из жилых помещений было направлено в зоны выделения вредностей на кухню, в ванные комнаты, туалеты. Интенсивность удаления воздуха из отдельных загрязненных зон не должна «опрокидывать» вытяжку из других. Например, включение надплиточного зонта на кухне не должно существенно снижать объем удаляемого воздуха в ванной комнате и туалете.

Возможно ли, основываясь на этих положениях, реализовать экономичную систему вентиляции?

Направление и скорость ветра, температура наружного воздуха могут существенно изменять режимы работы традиционной системы естественной вентиляции квартир. Эти изменения могут соответствовать весьма широкому диапазону: от «опрокидывания», когда вытяжные устройства начинают работать на приток, до увеличения воздухообмена по отношению к расчетному в 2-3 раза. Неустойчивость работы систем вентиляции, с одной стороны, может привести к воздушно-тепловому дискомфорту, с другой – к перерасходу тепловой энергии.

Для решения этой проблемы получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых домов с подо­гревом приточного воздуха с помощью теплоутилизаторов за счет теплоты вытяжного воздуха.

Системы вентиляции с теплоутилизаторами обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести: высокий уровень воздушнотепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью системы вентиляции и сбалансированностью расходов приточного и вытяжного воздуха; существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха – от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; принципиальную возможность защиты от городского, внешнего шума при использовании герметичных светопрозрачных ограждений; принципиальную возможность гибкого регулирования воздушнотеплового режима в зависимости от режима эксплуатации отдельной квартиры, в т.ч. с использованием рециркуляционного воздуха; принципиальную возможность поддержания оптимальной влажности воздуха в квартире при использовании регенеративных теплоутилизаторов; принципиальную возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Реализация указанных достоинств связана с решением следующих проблем: необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения отдельной квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дополнительных воздуховодов; утилизаторы должны быть малошумными и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями; следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (-10°С и ниже); необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

В современных системах вентиляции с утилизаторами теплоты указанные проблемы решаются, но, соответственно, капитальные затраты в этих системах по сравнению с традиционными выше. С целью решения этих вопросов в Беларуси 1 июня 2009 г. была принята и утверждена «Комплексная программа по проектированию, строительству и реконструкции энергоэффективных жилых домов в Республике Беларусь на 2009-2010 годы и на перспективу до 2020 года». В программе отражено, что важнейшим направлением, позволяющим снизить энергопотери жилых домов и, следовательно, потребление тепловой энергии на отопление, является повышение теплозащиты зданий за счет увеличения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и применения энергоэффективных инженерных систем.