Основы теории и особенности практики повышения энергоэффективности теплового режима гражданских зданий (на примере Кыргызстана) (08.08.2011)

Автор: Боронбаев Эркин Капарович

Разработанная компьютерная программа расчета (на языке "Turbo-Pascal") позволяет определить текущие и интегральные значения интенсивности потока прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации, поступающей на поверхность любой ориентации и любого наклона для любого часа календарного дня, количества суток и сезона года. Расчеты можно осуществить для любой географической широты местности на любой высоте над уровнем моря с учетом степени загрязнения атмосферы. Сезонные расходы искусственных ресурсов энергии на отопление, охлаждение и вентиляцию следует определять при поступлении теплоты солнечной радиации, найденной с учетом облачности неба. В компьютерные программы расчета были заложены и используются соотношения продолжительностей наблюдения облачного и безоблачного неба среднего дневного периода суток каждого месяца для 13 наиболее важных населенных пунктов Кыргызстана (такие данные имеются и для 54 метеорологических пунктов на территории России). Для этого используются соответствующие графические годовые структуры погоды, представленные на географических атласах. Приемлемая достоверность результатов расчета суммарной солнечной радиации для безоблачного неба, а также при средней его облачности подтверждена тем, что их погрешность по сравнению с данными, приведенными в СНиП «Строительная климатология», не превышает ±7 %.

. Установлено, что массивная стена с двойным остеклением и невентилируемой воздушной прослойкой совместно с указанными окнами дает наилучший эффект – позволяет снизить сезонный расход теплоты на искусственное отопление здания в г. Новосибирск на 30,6 %, в г. Кызыл-Кия – на 49,3 %. Такие снижения, относящиеся только к окнам, составляют, соответственно, 6 % и 14,6 %. Выявлена, что действительная продолжительность отопительного сезона значительно уменьшается. Например, в условиях г. Новосибирск систему отопления можно включать не в середине, а в конце сентября, а в условиях г. Кызыл-Кия – выключать ее намного раньше – в начале третьей декады февраля.

В течение отопительного периода 2003-2004 гг. испытан экспериментальный вариант установки пассивного солнечного отопления двухкомнатного жилого дома в г. Бишкек через остекленную (10,4 м2) глинобитную стену южного фасада. Такая стена позволяет снизить годовой расход теплоты на отопление здания на 30-40 %. В теплый период, когда возможно перегревание помещения, деревянные крайние рамы в виде створок накладываются на аналогичные центральные рамы для затенения стены за счет размещения блестящей полиэтиленовой пленки между ними. При этом обеспечивается также свободное продувание подстекольного пространства, что дополнительно снижает суточные поступления теплоты в помещение.

= 64 м2. Эти окна и стены имеют двухслойные остекления и размещены на фасадах с южной стороны. Некоторые результаты суммарного солнечного нагревания этих зданий представлены на рис. 1. Из I и II вариантов зданий, имеющих одинаковые формы, но различные ориентации, эффективнее I вариант с более интенсивным поступлением суммарной солнечной радиации на окна и остекленные стены. Установлено, что целесообразно принимать указанную стену с невентилируемой воздушной прослойкой.

, оказалась больше (115 сут.), чем у III варианта.

) теплового режима зданий различной формы и ориентации

, определенные по формуле (8).

между ними станет больше – повышается продолжительность периода без искусственного отопления и охлаждения. Такая продолжительность увеличится еще больше, если в начале и конце сезонов отопления и охлаждения обеспечить саморегулирование теплового режима за счет согласованного привлечения естественных ресурсов энергии для вентиляции, нагревания (солнечной радиацией, подачей теплого наружного воздуха и др.) и охлаждения (ночным проветриванием, длинноволновым излучением и др.). Целесообразно использование для этого и энергосберегающую архитектуру – стационарных и мобильных тепловых экранов, устройств затенения и улавливания ветра и защиты от него, остекленных солнечно-активных стен и др. Эти меры позволяют не только снизить расход теплоты и холода, но и сократить продолжительность периодов суточного и сезонного искусственного отопления и охлаждения. Достигается этим и экономия электроэнергии, потребляемой нагнетателями систем обеспечения микроклимата.

В пятой главе представлены особенности создания энергосберегающей архитектуры здания и оптимизации теплозащитной способности его оболочки.

можно определить

определяется при нормативных коэффициентах теплопередачи наружных ограждений, принятых по СНиП 23-02-2003 в зависимости от значений градусо-суток Dd расчетного отопительного периода. Вышеизложенный подход сравнения идеальных и реальных показателей теплозащиты повышает результативность рассмотрения здания в целях минимизации его энергопотребления и поддержания параметров микроклимата помещений, а также для обеспечения долговечности, теплоустойчивости, сопротивления воздухо- и паропроницанию экономически приемлемых ограждающих конструкций, предотвращения ими увлажнения, намокания и появления плесени.

Компьютерные расчеты позволили изучить динамику теплового эффекта затенения любого ограждения здания как для любого часа любого безоблачного календарного дня года, так и для многолетних среднемесячных условий облачности неба. Для здания в г. Бишкек (42(51( северной широты) рассмотрены различные варианты затенения окна, ориентированного на юг, на восток, запад, юго-восток и юго-запад и имеющего остекление в виде витрины размером 2 м х 1,8 м. В случае ориентации его на юг наибольшее снижение поступления солнечной теплоты наблюдается при одновременном использовании верхнее-горизонтального Г и двух вертикальных устройств затенения с их восточным вВ и западным вЗ расположением у окна. В холодные зимние месяцы (например, с 1 ноября по 31 марта) указанное сочетание устройств затенения шириной 800 мм приблизительно в 1,5 раза снижает общее поступление теплоты прямой солнечной радиации. Летом наименьший эффект затенения наблюдается при отдельном использовании устройств вВ и вЗ расположения.

Выдвинутая идея создания энергосберегающей архитектуры здания предполагает, в частности, выбор целесообразной формы здания.

для здания любой формы по выведенному выражению

. (11)

Как видно, расчетная формула удобна для проектировщика, поскольку не содержит геометрические показатели сравниваемого теоретического здания.

( 0,24.

составляет незначительную величину и равен лишь 0,154.

Шестая глава посвящена особенностям практического опыта повышения энергоэффективности теплового режима зданий при их проектировании, создании, реконструкции и эксплуатации.

Предложенная общая методология улучшения теплозащитных качеств существующего здания позволяет определить, в частности, стратегию поэтапного их совершенствования. При этом устанавливается приоритетно-последовательный энергетически и экономически выгодный путь его реконструкции.

В 1996 г. при участии автора осуществлена энергосберегающая реконструкция девятиэтажного крупнопанельного жилого дома 105 серии по адресу: г. Бишкек, микрорайон «Асанбай», д. 9. Энергоффективность дополнительной теплоизоляции наружных стен и чердачного перекрытия (листами пенопласта толщиной 50 мм) и реконструкции систем отопления и горячего водоснабжения оценена путем сравнения данных экспериментальных измерений в реконструированном и аналогичном контрольном здании идентичной формы и ориентации.

) подаваемой горячей воды; в квартирах – термостатические клапаны и местные счетчики теплоты у каждого нагревательного прибора отопления, счетчики расхода горячей воды.

Как показали результаты натурных исследований, в опытный период потребление теплоты системой отопления для контрольного здания составило 20,36 МВт·ч, а реконструированного – 14,4 МВт·ч при 29,3 % энергосбережении. Измерения температуры воздуха в помещениях характерных квартир показали, что в контрольном здании ее среднее значение колебалось около 18 (С, а в реконструированном – около 20 (С. Соответственно, в контрольное здание за этот период требуется подавать около 22,7 МВт·ч теплоты, чтобы достичь такой же средней температуры воздуха в помещениях, как и в реконструированном здании. Расчетами установлено, что при поддержании одинаковой температуры воздуха в обоих зданиях, равной 20 (С, экономия тепловой энергии за счет реконструкции составляет 37 %.

в обоих зданиях, показали, что годовая расчетная экономия теплоты на отопление составляет около 40 % (из них вследствие дополнительной теплоизоляции – приблизительно 25 %, автоматического регулирования подачи теплоты в здание и в отдельные помещения – 15 % при соответствующем сроке окупаемости затрат около шести лет). Дополнительная экономия потребляемой теплоты жителями при оплате за нее по показаниям местных счетчиков, установленных на нагревательных приборах, и за счет использования термостатических клапанов составляет приблизительно 10-15 %. Следовательно, общее энергосбережение в здании составило 50-55 %.

Вследствие низкого уровня теплозащиты существующих зданий, особенно индивидуальных домов, отдельные виды энергосберегающей реконструкции (например, дополнительная теплоизоляция наружных стен, чердачного перекрытия, перекрытия над подвалом с применением экологически чистых отходов и дешевых местных материалов) окупаются иногда за 1,5-2 года. При участии автора и его студентов в 2002-2004 гг. осуществлены различные типы теплоизоляции наружных ограждений более 20 индивидуальных домов в холодных горных регионах Кыргызстана, позволившие на 40-60 % снизить расход теплоты на их отопление. Причем степень энергосбережения и улучшения комфортных условий в шести реконструированных домах (в различных климатических районах) определена на основе опытных измерений, осуществленных в течение двух отопительных сезонов – до и после такой теплоизоляции.

. Установлено, что указанная реконструкция позволила достичь общей годовой экономии расхода теплоты на отопление зданий, подключенных к общегородской тепловой сети, приблизительно на 3,5 %.

= 20 (С. Это приводит к увеличению потерь теплоты через ограждения и на вентиляцию помещений.

В работе представлены также результаты опыта затенения элементов кровли, совмещенной с плоским покрытием здания. На основе компьютерных расчетов суточных и сезонных (за три жарких месяца) поступлений солнечной радиации изучены варианты затенения низких двускатных световых фонарей административных помещений здания в г. Каракуль на юге Кыргызстана. Установлено, что для затенения горизонтальных поверхностей целесообразна конструкция над ними, состоящая из ячеек квадратного сечения. Ячейки образованы листами (из рулонной алюминиевой фольги толщиной 0,3 мм и шириной 0,2 м), установленными вертикально по направлениям юг-север и восток-запад с размерами сторон 0,2 м. В холодный период южную сторону этой конструкции следует уклоном обеспечивающим максимальное сезонное поступление теплоты солнечных лучей.

На практике целесообразно интегрировать элементы солнечных установок к конструкциям здания, и наоборот. Реализовано, как пример, попутное летнее затенение и охлаждение совмещенной плоской мягкой кровли вспомогательного административного помещения ТЭЦ г. Бишкек за счет размещения на ней абсорбера солнечней установки. Абсорбер представляет собой открыто настилаемые на кровлю рулонные резиновые ленточные элементы, состоящие из восьми трубок с диаметром живого сечения около 8 мм. Прямое его назначение – предварительное солнечное нагревание части артезианской подпиточной воды тепловой сети в безморозный период года. Специально созданная опытная установка с комплексом измерительных приборов позволила автоматически записывать ежеминутные усредненные значения расхода нагреваемой воды, ее температуры до и после абсорбера, температуры и влажности наружного воздуха, скорости ветра, а также интенсивности суммарной и рассеянной солнечной радиации и длинноволнового излучения окружающей среды, поступающих на горизонтальную поверхность. Абсорбер выполняет функцию, во-первых, устройства затенения перекрытия, во-вторых, источника его охлаждения. Он за счет контакта с покрытием кровли охлаждает ее, т.е. снимает и полезно использует часть избыточной теплоты помещения для нагревания воды. Этим обеспечивается эффект лучистого охлаждения помещения более холодной поверхностью потолка, что значительно снижает уровень теплового дискомфорта присутствующих людей, характерного для периода летнего перегрева.

Обычно в условиях резкоконтинентального климата большинство гражданских зданий имеет значительный расход энергии как на отопление, так и на охлаждение. Здание с ограждениями из сильно прессованных тюков соломы во многом свободно от такого перерасхода энергии. Такое здание, запроектированное и построенное с участием автора и его студентов в с. Жарды-Суу Московского района Кыргызстана, состоит из зала собраний и рабочей комнаты с внутренними размерами в плане 11,5 м х 6,0 м и 4,0 м х 2,0 м при высоте 3,2 м. Несущей конструкцией здания служит деревянный каркас, образующий стойки стен и фермы перекрытия. Соломенные тюки, плотно уложенные друг к другу между указанными элементами каркаса и имеющие с двух сторон глиняные защитные штукатурки, создают слой качественной теплоизоляции толщиной 0,5 м. Принята ориентация продольного фасада строго на юг при расположении пластиковых окон с двухслойным остеклением почти заподлицо с поверхностью этого фасада.

Ожидаемые энергозатраты на отопление этого здания были оценены путем сравнения его показателей с данными здания с обычными, наиболее распространенными в селе ограждениями, в частности, с кирпичной стеной толщиной 0,38 м. Оба варианта зданий имеют идентичные объемы, формы, ориентации, окна и двери. Как элемент, служащий устройством затенения, принят выступающий скат металлической кровли двускатной крыши. Закономерности изменения теплоты суммарной солнечной радиации, поступающей на окна, ориентированные на юг с общей площадью 11,2 м2 при средней облачности неба и различных вариантах их затенения, представлены на рис. 2. Компьютерными расчетами установлено, что по условиям возможного летнего перегрева этого зала целесообразен конструктивно приемлемый вылет указанного ската в 1 м, при котором уровень кромки кровли окажется на 0,56 м выше уровня верха остекления окон. Но последующее рассмотрение условий их затенения в холодный период года показало, что это расстояние целесообразно принимать равным 0,86 м при соответственно найденной высоте остекленной части окон 1,65 м при их ширине 2,35 м.

, достигнуто минимальное их затенение. За этот период общее количество теплоты суммарной солнечной радиации, поступающей на окна, составило 3145 кВт(ч. Найденное конструктивное решение обеспечивает также максимальное затенение окон в течение всего периода ожидаемого летнего перегрева помещения. При этом достигнуто снижение (рис. 2, d) количества указанной теплоты в июне на 51,6 %, в июле – на 51,2 % и в августе – на 30,6 %.

= 0,89 (при расчетной продолжительности 162 сут. и средней температуре наружного воздуха минус 1 (С этого сезона). Расчетная требуемая мощность нагревательных приборов для отопления этого зала (при расчетной температуре наружного воздуха минус 24 (С) равна 1,77 кВт (а кабинета – 0,92 кВт). Соответственно, для зала достаточно иметь, например, электрический радиатор мощностью 1,8 кВт с термостатом.

Рис. 2. Динамика изменения теплоты поступающей среднемесячной солнечной радиации на окно южного фасада: а – на 1 м2 его площади – линии: 1 и 2 – без учета и с учетом средней облачности неба; 3 – рассеянной радиации: 4 – температуры наружного воздуха; b и с – при разнице уровней верха остекления окна и нижней кромки кровли в 0,56 м; d и е – то же, в 0,86 м.

Установлено, что полное пассивное солнечное отопление зала удается обеспечить при варианте с тремя указанными окнами (в 11,4 м2) и дополнительном одинарном остеклении всей наружной поверхности (в 25 м2) бетонной стены южного фасада. Этот вариант, хотя и позволяет получить реальный практический результат почти с «нулевым» расходом теплоты на отопление, приводит к значительному увеличению капитальных затрат на создание как остекленной стены, так и всего здания.

= 1. Следовательно, зимой, когда не используется данное энергоэффективное здание, его саморегулируемый тепловой режим обеспечивает нормируемую (по СНиП 41-01-2003) температуру внутреннего воздуха без устройства и работы системы отопления.

Основные выводы и результаты работы

Реализация значительного потенциала повышения энергоэффективности теплового режима гражданских зданий (достигающего часто 30-60 %) не только позволяет локальную, региональную и планетарную экономию энергоресурсов, но и вносит существенный вклад в снижение темпов глобального потепления климата, вызванного интенсивным накоплением «парниковых» газов в атмосфере. Эта задача особо актуальна для совершенствования научно обоснованных методов изучения, проектирования, создания, реконструкции и эксплуатации гражданских зданий в условиях Кыргызстана.

Предложенная имитационная математическая тепловая модель здания, представленного как открытая термодинамическая система в виде замкнутого полезного объема с массой обновляемого воздуха, ограниченной внутренней границей теплозащитной оболочки, служит теоретической основой выбора энергоэффективных режимов обеспечения требуемого круглогодичного теплового микроклимата.

Новая концепция энергоэффективной формы здания позволила получить простую, наглядную и практически результативную методологию улучшения формы реального здания заданного объема относительно показателей теоретического здания в виде шара того же объема. Полученный безразмерный показатель энергоэффективности формы здания позволяет количественно оценить степень совершенства и потенциал улучшения формы здания любой конфигурации.


загрузка...