Пути энергосбережения

Опубликовано mensh - вс, 07/27/2003 - 19:11
В статье Принцип работы солнечного аккумулятора предполагалось, что солнечные лучи имеют возможность проникать в здание, в котором солнечная энергия аккумулируется в виде тепла для дальнейшего использования. Если здание проектируется с учетом аккумулирования с целью его дальнейшего использования, то в конструкции здания должны быть предусмотрены меры по предотвращению или, по крайней мере, снижению утечки тепла. Помимо использования солнечной энергии для экономии других видов энергии существует множество проектных решений, которые способствуют экономии энергии в зданиях. Рассмотрение и использование этих вариантов во многом имеет большее значение, чем мероприятия по использованию солнечной энергии в качестве решения проблемы энергетического дефицита, т.к. часто потребляется значительно больше энергии, чем это необходимо. Поэтому прежде, чем обратиться к другим источникам энергии, следует сначала снизить уровень потребляемой энергии.

Методы энергосбережения

Основные способы сохранения тепла в здании заключаются в выборе:
  • формы здания;
  • изоляции;
  • типов окон и дверей;
  • ставней на окнах;
  • уменьшении инфильтрации воздуха;
  • защите от ветра и регенерации тепла.
Между мероприятиями по экономии энергии в строительном проектировании и использованием солнечной энергии для отопления и охлаждения существует прямая связь. При уменьшении нагрузки на теплоснабжение уменьшается и полезный размер здания, а также необходимый размер солнечной отопительной установки независимо от того, используются ли приток солнечного тепла через окна и тепловая масса здания или солнечная установка представляет собой только пристройку к зданиям с насосами, вентиляторами, теплообменниками и теплоаккумулятором. Благодаря меньшей мощности солнечной установки снижается не только первоначальная стоимость здания, но уменьшаются также энергетические затраты в целом, поскольку потребность в отоплении и охлаждении становится меньше. Кроме уменьшения мощности системы солнечного отопления, можно уменьшить и другие составляющие баланса экономии энергии. При снижении отопительной нагрузки или нагрузки на кондиционирование можно уменьшить объем вспомогательного оборудования, дублирующего солнечную установку. Уменьшение мощности этого оборудования означает соответствующее уменьшение размеров (и стоимости) отопительных труб, электропроводки для оборудования и размеров газоходов. Длина каналов и труб также может быть меньше, поскольку они необязательно должны охватывать весь периметр здания, чтобы поддерживать комфортные условия в течение отопительного сезона. Более компактное здание, в котором расходуется меньше энергии на отопление, обеспечивает более комфортную среду обитания. Изоляция уменьшает влияние холодных стен. Зимой внутренняя поверхность неизолированных стен на 5...8°C холоднее, чем поверхность изолированных стен. Изоляция повышает температуру внутренних поверхностей стен, и люди чувствуют себя более комфортно. Тело человека, находящегося в окружении холодных стен, пола и потолка, теряет тепло слишком быстро, и человек испытывает чувство холода и дискомфорта. Летом условия меняются, и излишне нагретые поверхности стен затрудняют поддержание необходимой для человека прохлады. Если температура внутренних поверхностей здания создаст в помещении дискомфорт, то люди включают термостат почти на полную мощность зимой, чтобы увеличить приток тепла, а летом ставят его на слабый режим, чтобы обеспечить прохладу. Это приводит к повышенному расходу энергии. В более компактных зданиях обеспечивается более равномерное распределение температуры воздуха в помещениях и между полом и потолком. Воздух, омывающий холодные стены, охлаждается, его плотность увеличивается, и он опускается к полу. Происходит замещение теплого воздуха, который поднимается. Это постоянное движение воздуха (тяга) создает дискомфорт. Инфильтрации наружного воздуха через щели в ограждающих конструкциях здания также вызывает сквозняки, поэтому уменьшение инфильтрации повышает комфортность. Дополнительная изоляция, призванная уменьшить потребление энергии, способствует, кроме того, созданию акустического барьера между зданием и внешней средой. Существует много полезных альтернатив для уменьшения потребления энергии, использование которых не всегда оказывает существенное влияние на проект здания. Одним из основных способов, с помощью которого можно уменьшить потребление энергии, состоит в изменении нашего образа жизни (и методов эксплуатации здания), в том числе поддержание в доме более низких температур. Шторы должны быть открыты в течение дня, чтобы пропускать солнечный свет в здание (разумеется, это не относится к окнам, обращенным на север); ночью шторы должны быть закрыты. Намного эффективнее штор внутренние изолирующие ставни, обеспечивающие плотное закрывание окон и, по сути дела, трансформирующие их в стену. При открытии окон и дверей необходимо принять все меры, чтобы уменьшить количество холодного наружного воздуха, поступающего через проемы в зданиях. Уплотнение дверей, окон и других проемов может быть наилучшим методом экономии энергии.

Понятие градусо-день

Для того, чтобы оценить методы сохранения тепла внутри здания, нужно иметь представление о величинах, в которых измеряется количество теплоты (калория или джоуль), и градусо-днях. Понятие градусо-день в некотором смысле сходно с измерением трудозатрат в человеко-днях. Работу, которую 1 человек выполняет за 1 день, можно определить в количестве 1 чел-дня. Аналогичным образом, если температура наружного воздуха на 1°С ниже температуры воздуха в здании в течение 1 дня, то отопительная нагрузка на здание может быть оценена в 1 град-день. В качестве базисной используется внутренняя температура 18,3°С. Если температура наружного воздуха выше 18,3°С, то число градусо-дней для этого дня принимается равным нулю. Значение температуры, по отношению к которому ведется отсчет градусо-дней, принято равным 18,3°С, а не 22°С в связи с тем, что внутренние источники тепла (печи, бытовые электрические приборы, осветительные приборы, тепловыделения людей и т.п.), а также солнечная радиация, поступающая через окна внутрь здания, как правило, обеспечивают повышение температуры с 18,3°С до комфортного уровня 22°С. Месячное число градусо-дней — это сумма градусо-дней, соответствующих каждому дню месяца. Многочисленные измерения расхода топлива показали, что месячная нагрузка отопления здания почти пропорциональна месячному числу градусо-дней, рассчитанному рассмотренным выше методом. Дополнительное преимущество использования понятия градусо-дней заключается в том, что с его помошью можно довольно просто определить количество энергии, которое потребляет здание в течение года. Следует заметить, что эти расчеты наиболее верны для малых зданий, т.к. в крупных административных зданиях теплопоступления от внутренних источников тепла составляют значительно большую часть общих теплопоступлений.

Тепловые потери

Тепловые потери типичных жилых домов и других зданий происходят по трем основным причинам:
  • вследствие теплопроводности через стены, крыши и полы, а также вследствие (но в гораздо меньшей степени) излучения и конвекции;
  • вследствие теплопроводности и меньшей степени путем излучения и конвекции через окна и иное остекление;
  • путем конвекции и перетока воздуха через элементы наружного ограждения здания, который обычно происходит через открытые окна, двери и вентиляционные отверстия (принудительно или естественно) или путем инфильтрации, т.е. проникновения воздуха через щели в ограждающих конструкциях здания, например по периметру дверных и оконных рам.
В зависимости от того, имеет ли здание хорошую изоляцию или нет, много в нем окон или мало, наблюдается ли через него движение воздуха или нет, каждый из этих трех факторов составляет 20...50% общих тепловых потерь здания.

Предположим, что потери тепла в здании имеют место в равной мере по трем вышеуказанным факторам. Это графически иллюстрируется диаграммой в виде круга, разрезанного на 3 равных части. Если какую-либо одну из этих составных частей уменьшить вдвое, то общие тепловые потери уменьшатся только на 1/6 часть. Это говорит о том, что все три фактора следует рассматривать в равной мере, не выделяя тот или иной.

Структура тепловых потерь
Примерная структура тепловых потерь: а - в обычном жилом доме; б - в обычном жилом доме с усиленной теплоизоляцией; 1 - через окна - 33,3%; 2 - через стены, крышу, пол - 33,3%; 3 - из-за инфильтрации воздуха - 33,3%; 4 - через стены, крышу, пол - 20% (16,7% от первоначальных); 5 - из-за инфильтрации воздуха - 40% (33,3% от первоначальных); 6 - через окна - 40% (33,3% от первоначальных); 7 - сэкономлено за счет снижения потерь через стены, крышу, пол - 16,7% от первоначальных.
Уровни тепловых потерь для окон и стен
Относительные уровни тепловых потерь для окон и стен различных типов: 1 - одинарное остекление; 2 - двойное остекление; 3 - тройное остекление; 4 - двойное остекление с теплоизолирующими ставнями; 5 - стена со стандартной изоляцией; 6 - стена с усиленной изоляцией. Основные источники тепловых потерь здания почти невозможно рассматривать независимо друг от друга. Разные типы остекления и конструкции стен существенно различаются по количеству проходящего через них тепла. Например, двойное остекление пропустит тепла вдвое меньше, чем одинарное, а стена с хорошей изоляцией — около 1/30 (около 4%) того количества тепла, которое проходит через одинарное остекление. Одинаковое количество тепла будет потеряно через хорошо изолированную стену 9х2,5 м и через окно с одинарным остеклением 1,2х0,6 м. Применение изолирующих ставней для закрытия окон ночью значительно снижает теплопотери. Изолирующие ставни могут также эффективно снизить радиационные потери тепла и в зависимости от типа строительных конструкций почти полностью исключить фильтрацию воздуха. В зависимости от теплового сопротивления изолирующих ставней потери тепла вследствие теплопроводности через окно со ставнями можно уменьшить до 10 раз по сравнению с окном без ставней. В качестве простого примера экономии в результате применения ставней сравним потери через окно вследствие теплопроводности и для случаев отсутствия ставней. Если ставни открыты только в течение дневных часов, т.е. 40...65% времени отопительного сезона, то благодаря ставням теплопотери будут существенно снижены в течение остальной части отопительного сезона. Если ставни закрыты 1/3времени, то будет сэкономлено примерно 30% энергии. Если ставни закрыты половину времени, то будет сэкономлено примерно 60% энергии. Кроме того, существуют несколько факторов, способствующих повышению экономии. Например, ночью, когда ставни закрыты, наружная температура воздуха обычно ниже, чем днем. Радиационные потери тепла также наиболее значительны ночью. В течение дневных часов, когда ставни открыты, потери тепла существенно компенсируются поступлением через окна солнечного тепла. Поэтому значение ставней для экономии энергии велико, и их применению следует уделить самое серьезное внимание. Тепловые потери за счет конвекции и перетока воздуха через проемы наружной оболочки здания могут составлять значительную часть общих потерь тепла. Эта составляющая потерь может быть особенно велика для таких зданий, как школы, больницы, зрительные залы, в которых требуются повышенные скорости вентиляции. В этих ситуациях все большее внимание должны заслуживать теплорегенерирующие устройства, передающие тепло от отработанного воздуха к поступающему. Летом приточный воздух охлаждается отработанным. Небольшие вентиляторы, подобные применяемым в ванных комнатах и кухнях, являются причиной утечки меньшего, но все же существенного количества тепла. Следует отдавать предпочтение вентиляторным системам, которые фильтруют и циркулируют воздух, а не выбрасывают его наружу.
Дополнительная теплоизоляция стены
Деталь конструкции, обеспечивающая дополнительные изоляционные свойства деревянной фахверковой стены: 1 - наружный отделочный слой; 2 - наружная обшивка; 3 - слой нанесенного набрызгом полиуретана (25 мм); 4 - стекловолокно со слоем фольги (50 мм); 5 - воздушный промежуток (12мм); 6 - пароизоляция (полиэтилен, 0,1 мм); 7 - внутренний отделочный слой.
Стирофомная обшивка наружной стены
Стирофомная обшивка (25 мм) наружной стены обычной деревянной фахверковой конструкции: 1 - облицовка; 2 - штукатурка; 3 - теплоизоляция из войлока; 4 - обшивка из стирофома.
Теплоизоляция фундамента и пола
Теплоизоляция фундамента и пола: 1, 2, 3, 4 - поступления и потери тепла через остекление; 5 - бетонный или кирпичный пол; 6 - песчаная, щебеночная или бетонная подготовка; 7 - жесткая конструкционная теплоизоляция; 8 - гидроизоляционный слой; 9 - земля.
Теплоизоляция вокруг распределительных коробок, выключателей, труб
Теплоизоляция вокруг электрораспределительных коробок, выключателей и труб: 1 - войлочная теплоизоляция; 2 - электрораспределительная коробка; 3 - пароизоляция.
Теплоизоляция камина
Устройство теплоизоляции камина, примыкающего к наружной стене: 1 - подкаминная плита; 2 - огнеупорный кирпич; 3 - наружная стена; 4 - засыпная теплоизоляция (75 мм).
Уменьшение потерь тепла через раздвижную стеклянную дверь
Уменьшение потерь тепла через раздвижную стеклянную дверь при помощи стационарной рамы со стеклопакетом и двери с теплоизоляцией: 1 - изолирующее стекло; 2 - дверь с теплоизоляцией.
Снижение тепловых потерь через окно
Добавление второй рамы к окну уже имеющему стеклопакет (снижение тепловых потерь на 30...50%). Другой причиной обмена между внутренним и наружным воздухом является открывание и закрывание окон и дверей. Чтобы уменьшить расход энергии на отопление и охлаждение, каждый дверной проем должен иметь две двери, которые при необходимости могут располагаться вплотную друг к другу. Например, вторая дверь может быть навешена рядом дополнительно к основной стандартной двери. Однако лучше отделять двери друг от друга тамбуром с тем, чтобы при открывании наружной двери внутренняя дверь оставалась закрытой. Таким образом, создается, по сути дела, декомпрессионная камера. Вращающиеся двери приемлемы в местах с интенсивным перемещением людей, а в сочетании с тамбурами такие двери являются хорошим средством экономии энергии. Ветер является важным фактором в ежеминутном изменении количества воздуха, проникающего в здание. В книге Проектирование с учетом климата В. Олгиэй сообщает, что при скорости ветра 8 м/с тепловая нагрузка здания удваивается по сравнению с нагрузкой, рассчитанной при скорости ветра 2 м/с. При более высоких скоростях ветра весьма эффективной защитой здания является растительная изгородь. Экономия топлива может достигать 30% при хорошей защите здания с трех сторон. В северном полушарии обычно северная и западная стены здания открыты ветру. Поэтому здания должны ориентироваться так, чтобы не попадать под господствующие ветры, или должны иметь защитные экраны (природные растительные или искусственные) во избежание повышенной фильтрации воздуха по периметру дверей, окон и других проемов. Входы в здание не должны располагаться с северной и западной сторон. Если же они там расположены, то защита от ветра приобретает особое значение.
Защита от ветра
Расположение естественных преград ветру для экономии тепловой энергии (для случая показанных направлений ветра): 1 - здание; 2 - господствующие летние ветры; 3 - зеленые (летние) насаждения; 4 - господствующие зимние ветры; 5 - вечнозеленые насаждения; 6 - зимние штормовые ветры. Весьма важным при рассмотрении влияния перетоков воздуха в здании на расход энергии является учет проникновения воздуха через трещины и щели в стенах, крышах и окнах. Создание замкнутых воздушных промежутков в стенах зданий и плотная подгонка окон и дверей могут существенно уменьшить влияние инфильтрации воздуха. Инфильтрация воздуха через щели в ограждающих поверхностях здания является наиболее важным фактом, который следует учитывать при разработке мероприятий по защите от воздействия ветра. Определенное количество наружного воздуха необходимо людям для вентиляции и ощущения свежести, и естественное проникновение воздуха через щели иногда учитывается при расчете принудительной вентиляции. Тем не менее, все меры должны быть приняты, чтобы уменьшить такую неконтролируемую инфильтрацию воздуха. По мере снижения доли других факторов, обусловливающих потери тепла, проникновение наружного воздуха занимает все больший процент в общей сумме факторов.

Сведя к минимуму неконтролируемую инфильтрацию воздуха можно сэкономить значительное количество энергии.

Поделиться с друзьями