Введение
Жилой фонд Республики Беларусь потребляет для отопления и горячего водоснабжения около
35–40% энергоресурсов страны. В этой связи работы по снижению энергопотребления на отопление и горячее водоснабжение жилого фонда имеют для нашего государства большую народнохозяйственную значимость.
Интенсивный поиск энергоэффективных путей строительства и эксплуатации жилых зданий в Европе ведется довольно продолжительное время. В странах северного пояса Западной Европы происходит переход к строительству зданий в стандарте “Пассивный дом” с уровнем теплопотерь 10–20% от общего существующего [1,2].
Исследования, результаты которых изложены в [3,4], позволили сформулировать требования к конструкции и инженерным системам энергоэффективных зданий с учетом структуры жилого фонда и климатических условий Республики Беларусь. На их основании ГП “Институт НИПТИС им. Атаева С.С.” выполнен проект, по которому ОАО “МАПИД” возведен энергоэффективный экспериментальный панельный жилой дом серии 111–90 [5].
Панельные дома из-за сравнительной дешевизны и высокой скорости возведения пользуются в настоящее время наибольшим спросом. Поэтому типовой панельный вариант, взятый за основу экспериментального здания, – наиболее привлекательный объект для тиражирования и внедрения энергосберегающих технических решений в массовое строительство энергоэффективного жилья.
Опыт его эксплуатации в течение отопительных сезонов 2007/08 и 2008/09 гг. подтвердил правильность реализованных проектных и технических решений.
Особенности конструкции и энергосберегающие решения энергоэффективного дома
Цель экспериментального проекта заключалась в отработке технических решений по снижению потребления тепловой энергии на отопление здания до 30 кВт•ч/м2 в год без изменения существующих планировочных решений серии 111–90 МАПИД и без модернизации технологического оборудования на предприятии.
Для достижения планируемого уровня потребления тепловой энергии предложены следующие технические решения [5]:
- окна нового поколения с сопротивлением теплопередаче R = 1,2 м2•град/Вт, что позволяет экономить 11 кВт•ч/м2 в год [6, 7];
- неоднородное утепление оболочки здания, что позволило уменьшить разницу в потреблении тепловой энергии;
- стеновые панели с увеличенным сопротивлением теплопередаче в среднем до значения R = 4 м2•град/Вт, что позволяет экономить 10 кВт•ч/м2 в год;
- новое поколение разработанных институтом систем принудительной приточно-вытяжной вентиляции с механическим побуждением и рекуперацией тепла вентиляционных выбросов [8];
- система отопления с горизонтальной разводкой, поквартирными учетом тепла и управлением подачи теплоносителя.
В итоге расчетные теплопотери через оболочку здания составят около 25 кВт•ч/м2 в год.
Уровень теплопотерь здания с вентиляционными выбросами зависит от эффективности используемой в нем системы рекуперации тепла. Расчетный уровень теплопотерь для различных значений коэффициента полезного действия рекуператора приведен в таблице 1. Для расчетов уровень свободного неорганизованного воздухообмена принят равным 10% общего воздухообмена, что дает уровень соответствующих теплопотерь, равный 5 кВт•ч/м2 в год. Таким образом, уровень теплопотерь здания равен сумме теплопотерь, соответствующих заданному значению КПД рекуператора, и теплопотерь со свободным воздухообменом.
Данные, приведенные в таблице, делают очевидным вывод о том, что уровень теплопотерь 30 кВт•ч/м2 в год не может быть достигнут в здании с приведенными выше характеристиками. Однако здесь не учтен фактор внутренних источников тепла и солнечной энергии [4].
Для расчетов был принят минимальный уровень тепловыделений, обусловленный только присутствием в квартире жителей. С учетом данного фактора при коэффициенте полезного действия рекуператора не менее 0,7 может быть достигнут планируемый уровень теплопотерь здания, равный 30 кВт•ч/м2 в год.
Таблица 1
КПД рекуператора
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Теплопотери здания, кВт•ч/м2 в год
55
50
44
39
34
Результаты тепловизионного обследования ограждающих конструкций энергоэффективного дома
Тепловизионная съемка наглядно показывает наличие или отсутствие скрытых конструктивных, технологических, строительных или эксплуатационных дефектов теплозащиты зданий. Разные виды ограждающих конструкций имеют свои характерные дефекты, которые можно разделить на два типа. В первую очередь это повышенная фильтрация воздуха через щели и неплотности в стыках элементов ограждающих конструкций. При внутренней тепловизионной съемке участки с инфильтрацией отображаются в виде холодных зон в местах проникновения уличного воздуха в помещение. При наружной тепловизионной съемке участки с инфильтрацией отображаются в виде теплых зон. Причины дефектов заключаются в плохой регулировке створок, повреждении или отсутствии уплотнителей. Тепловизионная съемка наглядно показывает, как холодный наружный воздух под действием тяги и ветра проникает в помещения, а теплый выходит из помещений через щели в верхней части стен и примыканиях стен к крыше. Второй тип дефектов связан с нарушением теплоизоляции ограждающих конструкций, в результате чего на их внутренней поверхности появляются участки с пониженной температурой, а на внешней – с повышенной, так называемые температурные аномалии.
Основная задача тепловизионного обследования заключалась в выявлении всех температурных аномалий, установлении причин их возникновения, определении, является ли та или иная холодная зона дефектом.
Тепловизионная съемка энергоэффективного дома по ул. Притыцкого, 107 (рис. 1) проводилась 08.01.2008 г. с 12.00 до 16.00 при температуре наружного воздуха – 7 °С. При обследовании (рис. 2, 3) получены типичные тепловизионные снимки.
На них (рис. 2, 4) видно высокое качество исполнения ограждающих конструкций. Утечек тепла не наблюдается, структура однородная, швы не просматриваются. Температура поверхности ограждающих торцевых панелей более низкая по сравнению с серединой фасада, что соответствует конструкции данных панелей.
При сравнении значений температуры (рис. 3) ряда окон, установленных в квартирах, и ряда окон, установленных в подъезде, можно сделать вывод о различных значениях коэффициента термического сопротивления R. В квартирах установлены энергосберегающие окна с коэффициентом термического сопротивления R = 1,2 м2•К/Вт [6]. В подъезде установлены стандартные окна с коэффициентом термического сопротивления R = 0,6 м2•К/Вт.
Определение эффективности приточно-вытяжной системы вентиляции энергоэффективного дома
Перед сдачей энергоэффективного дома проведена наладка приточно-вытяжных систем вентиляции в каждой квартире. С целью обеспечения нормативных требований воздухообмена сбалансирован поток приточного и вытяжного воздуха:
– 110 м3/ч для 1- и 2-комнатных квартир;
– 130 м3/ч для 3-комнатных квартир;
– 180 м3/ч для 4-комнатных квартир.
Баланс потоков воздуха в приточно-вытяжном канале отрегулирован с учетом обеспечения нормируемых объемов вытяжки из кухни и санитарного узла. При равных потоках воздуха в приточно-вытяжном канале разности температур на входах и выходах притока и вытяжки равны между собой. Поэтому КПД системы рекуперации тепла можно рассчитать по формуле
КПД = (Тн. – Тпр.) / (Тн. – Ткв.), (1)
где Тн. – температура наружного воздуха, °С; Тпр. – температура на выходе приточного канала, °С; Ткв. – температура внутри квартиры, °С;
Измерения температур в каналах системы вентиляции проводились в 3-комнатной квартире № 76 и 4-комнатной квартире № 72. Результаты измерений приведены в таблице 2.
Как видно, значение КПД системы рекуперации тепла для квартиры № 72 равно 84%, а для квартиры № 76 – 86%. Разница в значениях обусловлена различным уровнем воздухообмена в квартирах: 130 м3/ч для 76-й и 180 м3/ч для 72-й квартиры. Полученные экспериментально результаты подтверждают паспортные данные производителя систем.
Исследование акустических характеристик квартирной системы механической вентиляции с рекуперацией тепла на различных режимах ее функционирования
Главные источники шума в системах вентиляции и кондиционирования воздуха – вентиляторы, путевая арматура, фасонные элементы воздуховодов и воздухоразделительные устройства. Спектр шума вентиляторов обусловлен широкополосным фоном и накладывающимися на него тональными составляющими.
Основными шумовыми характеристиками систем вентиляции являются октавные уровни звуковой мощности, излучаемой в окружающее пространство вентиляторами и воздуховодами. Шум вентиляторов состоит из аэродинамического, механического и структурного шумов. В воздуховоды, присоединенные к всасывающему и выходному вентиляторам, поступает преимущественно аэродинамический шум, величина и спектр которого определяются конструкцией вентилятора, аэродинамическими параметрами и свойствами сети, на которую он работает. В окружающее вентилятор пространство излучается в основном механический шум: подшипников, соединительных муфт и электродвигателя. Источником структурного шума является вибрация механического (а иногда и аэродинамического) происхождения, передающаяся на строительные конструкции. Структурный шум может передаваться по конструкциям здания на значительные расстояния.
При измерении шумов системы квартирной механической вентиляции с рекуперацией тепла использовался цифровой прецезионный шумомер-анализатор спектра модели 2900В фирмы “Ларсон-Дэвис”, который соответствует 1-му классу точности по ГОСТ 17187–81 и предназначен для измерений среднеквадратичных, эквивалентных и пиковых уровней звука, уровней звукового давления в октавных, третьоктавных полосах частот на производстве и в жилых и общественных зданиях, определения акустических характеристик механизмов и машин, а также для научных исследований. При измерениях шумов вентиляции прибор использовался в режиме двухканального шумомера с частотным анализом.
Системы механической вентиляции с рекуперацией тепла уходящего воздуха установлены в 1–2–3–4-комнатных квартирах, для которых в соответствии с [9] необходимо обеспечить воздухообмен 110, 135 и 175 м3. Поскольку они будут работать в различных режимах, различными будут и уровни создаваемых ими шумов, для каждого из которых необходимо провести соответствующие измерения.
Воздуховоды наружного и приточного воздуха в системе вентиляции выполнены из гофрированной и гладкой трубы диаметром 160 мм. Указанные выше значения воздухообмена будут обеспечены при средних скоростях потоков по сечению трубы 1,52, 1,86 и 2,4 м/с соответственно. Для определения режимов работы системы вентиляции (напряжения питания вентиляторов) были проведены измерения скоростей потоков в трубопроводе с помощью прибора контроля воздушной среды МЭС-200 и анемометра АП-1. Погрешность приборов в диапазоне скоростей от 1,5 до 2 м/с – не более 0,2 м/с.
В трубопроводе было сделано отверстие соответствующего диаметра, через которое в поток помещался измерительный щуп МЭС-200, прямой измерительный участок воздуховода составлял при этом около 1 м (6 Ду) до измерительного отверстия и 0,5 м (3 Ду) после него. Такие длины измерительных участков согласно [10, 11] позволяют проводить корректные измерения скоростей потока.
Измерения проводились с 22.00 до 01.00 фактически без дополнительных внешних помех: при отсутствии ветра, дождя, транспортных шумов и шумов жильцов. Близлежащие дома также были практически не заселены, т.е. с точки зрения внешних помех условия оказались близки к идеальным.
Уровни шума измерялись в четырех точках на кухне, в жилой комнате и коридоре в соответствии с ГОСТ 23337; помехи – в тех же точках с периодом 1 ч при отключенной системе. Результаты приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, уровень звука при воздухообмене 110 м3/ч (напряжение питания вентиляторов задается от автотрансформатора) в жилой комнате и коридоре при уровне помех 19 дБ – не более 21 дБ, а на кухне при уровне помех 23,5 дБ (в это время были еще слышны помехи жильцов) – не более 28,7 дБ.
К 23.00 уровень помех снизился до 17–19 дБ. Измеренный уровень звука при воздухообмене 135 м3/ч (напряжение питания вентиляторов задается от автотрансформатора) в жилой комнате и коридоре при уровне помех 17 дБ – не более 20,5 дБ, а на кухне при уровне помех 19 дБ – не более 25 дБ.
Ближе к ночи уровень помех снизился до 16–18 дБ. Уровень измеренного звука при воздухообмене 110 м3/ч (напряжение питания вентиляторов задается от блока управления системы с временными окнами) в жилой комнате и коридоре при уровне помех 17 дБ – не более 18,5 дБ и 19,5 дБ, а на кухне при уровне помех 19 дБ – не более 22,7 дБ. Уровень звука при воздухообмене 135 м3/ч (напряжение питания вентиляторов задается от блока управления системы с временными окнами) в жилой комнате и коридоре при уровне помех 16 дБ – не более 20 дБ, а на кухне при уровне помех 18 дБ – не более 26 дБ.
В соответствии с ГОСТ 12.1.036 уровни звука, создаваемого в жилых комнатах системами вентиляции, не должны превышать 25 дБА ночью и 30 дБА днем. При этом определяемый уровень звука Lк рассчитывается по формуле
Lк = Lизм + К1 + К2, (2)
где Lизм – измеренный уровень звука, дБА; К1 – поправка на влияние шума помех; К2 – поправка на степень звукопоглощения помещения.
В соответствии с ГОСТ 12.1.036 поправку К2 приняли для условий измерения равной -2 дБА. Величина поправки К1 в соответствии с ГОСТ 12.1.036 составляет от 0 до -3 дБА. С учетом только поправки К2 определяемые уровни шума системы вентиляции при воздухообмене 110 и 135 м3 не превышают 25 дБА ни в одном из исследуемых помещений как при питании вентиляторов от автотрансформатора, так и блока управления системы. Таким образом, допустимые уровни шума в жилых помещениях соответствуют нормативным значениям.
Таблица 2
Экспериментальные результаты
Квартира № 72
Квартира № 76
Дата
T в квартире
T притока
КПД, %
T наружного воздуха
T в квартире
T притока
КПД, %
30.11.2007
16,4
14,3
85,63536
-1,2
16,9
14,4
86,18785
03.12.2007
16,3
14,1
85,03401
1,6
18
15,5
84,7561
04.12.2007
17,2
14,5
79,54545
4
18,3
15,6
81,11888
11.12.2007
18,6
16,2
86,28571
1,1
–
–
–
17.12.2007
20
17,2
87,55556
-2,5
21,1
17,8
86,01695
19.12.2007
16,9
14,3
83,85093
0,8
20,7
17,9
85,92965
27.12.2007
18,2
14,1
83,53414
-6,7
18,6
15,7
88,53755
10.01.2008
–
–
–
-1,7
20,3
17,7
88,18182
Среднее значение КПД, %
84
Среднее значение КПД, %
86
Сравнение расчетных и фактических данных потребления энергии на отопление квартир энергоэффективного жилого дома
Экспериментальный энергоэффективный 9-этажный 4-секционный 142-квартирный жилой дом серии М111–90
сдан в эксплуатацию в декабре 2007 г. В каждой из квартир здания установлены индивидуальные счетчики тепловой энергии. В период его эксплуатации в отопительный сезон 2007/08 гг. получены фактические данные по расходу тепловой энергии на отопление квартир.
В таблице 4 приведены расчетные данные и фактический расход тепловой энергии на отопление этих квартир в рассматриваемом периоде.
Сравнивая фактический расход энергии на отопление квартир с моделируемым, можно сделать вывод о незначительном отклонении моделируемых данных от экспериментальных данных теплопотребления на отопление квартир в экспериментальном доме.
Расход тепловой энергии на отопление однотипных квартир, расположенных на 1-м и 9-м этажах экспериментального дома, в 1,5–2 раза выше, чем в квартирах 2–8-го этажей, находящихся в середине фасада.
Таблица 3
Уровень звука при различных режимах работы системы
Режим работы системы
Уровень звука, дБА, на кухне
Уровень звука, дБА, в жилой комнате
Уровень звука, дБА, в коридоре
Уровень фона, дБ
23,5
19
19
Воздухообмен 110 м3/ч, напряжение питания
вентиляторов задается
от автотрансформатора
27,7
27,5
28,4
28,7
20,5
20,7
21,5
21
20
20,5
20,4
21
Уровень фона, дБ
19
18
18
Воздухообмен 135 м3/ч, напряжение питания
вентиляторов задается
от автотрансформатора
24,2
24,8
25,3
24,7
20,2
20,3
20,5
20
20
20,5
20,2
20
Уровень фона, дБ
19
17
17
Воздухообмен 110 м3/ч, напряжение питания
вентиляторов задается
от блока управления
системы (с временными
окнами)
22
22,5
22,7
23
18
18,3
18,5
18,4
19
19,4
19,5
19,3
Уровень фона, дБ
18
16
16
Воздухообмен 135 м3/ч, напряжение питания
вентиляторов задается
от блока управления
системы (с временными
окнами)
25,5
26
25,4
25,7
20
19,5
19,8
19,7
19
20
19,5
19,7
Таблица 4
Потребление тепловой энергии на отопление квартир в экспериментальном энергоэффективном доме
Квартира, №
1
2
33
68
72
97
98
100
89
90
Расположение в здании
(Т – торцевая,
С – середина фасада)
Т
С
Т
С
С
С
С
С
С
С
Этаж
1
1
9
9
1
7
7
8
5
5
Тип квартиры
4к
1к
3к
3к
4к
3к
3к
3к
3к
3к
Площадь квартиры, м2
91,18
42,30
78,06
78,06
91,18
78,06
78,06
78,06
78,06
78,06
Фактическое теплопотребление кВт•ч/м2 в год
55,7
39,4
11,2
40,2
44,8
24,0
26,4
23,9
36,9
24,1
Расчетное теплопотребление, кВт•ч/м2 в год
52,0
42,4
50,4
40,5
44,3
22,7
22,3
26,0
22,9
22,3
Выводы
Опыт эксплуатации энергоэффективного жилого дома подтвердил корректность проектных и технических решений, использованных при его строительстве. Качество изготовления наружных стеновых панелей и выполнения строительных работ можно считать высоким, о чем свидетельствуют результаты тепловизионной съемки дома.
Значение коэффициента полезного действия системы рекуперации тепла, полученное в процессе эксплуатации жилых помещений, равно 84–86%. Разница в значениях обусловлена различным уровнем воздухообмена – 130 м3/ч и 180 м3/ч – в разных по площади квартирах. Полученные экспериментально результаты доказывают возможность обеспечения низкого уровня тепловых потерь в экспериментальном здании, т.к. проектными требованиями к системе рекуперации тепла установлено в качестве порогового значение КПД рекуператора, равное 80%.
Уровни шума системы вентиляции при воздухообмене 110 и 135 м3 не превышают 25 дБА ни в одном из исследуемых помещений как при питании вентиляторов от автотрансформатора, так и блока управления системы. Таким образом, допустимые уровни шума соответствуют нормативным значениям.
Анализ результатов эксплуатационных затрат тепла на отопление и температурные режимы воздушной среды в жилых помещениях, полученных в период отопительных сезонов 2007/08 и частично 2008/09 гг., подтверждает правильность выбранного направления проектирования и строительства энергоэффективного жилья. Мониторинг жилого дома выявил также необходимость обеспечения более качественной технической эксплуатации инженерных систем здания, информирования жителей об их особенностях и возможностях в части регулирования тепловлажностного режима и энергопотребления.
Литература
1. Feist, W. Das kostengünstige Passivhaus – Proektbeschreibung / Arbeitkreis kostengünstige Passivhäuser. Protokolband № 1. Darmstadt, 1996. – 9–21.
2. Feist, W. Gestaltungsgrundladen Passivhäuser / Verlag das Beispiel, 2001. Passivhäuser.
3. Данилевский, Л.Н. Основные требования к конструкции и инженерным системам энергоэффективных зданий // Строительные материалы, оборудование и технологии ХХI века. – 2006. – № 7 (90). – С. 66–67.
4. Данилевский, Л.Н. Особенности проектирования и длительность отопительного периода энергоэффективных зданий // Строительная наука и техника. – 2008. – № 1. – С. 35–42.
5. Данилевский, Л.Н., Пилипенко, В.М., Потерщук, В.А. Энергоэффективный панельный дом серии 111–90 МАПИД // Архитектура и строительство. – 2007. – № 2. – С. 98–101.
6. Данилевский, Л.Н., Таурогинский, Б.И. Теплофизические характеристики окон из комбинированного материала дерево – пенополиуретан – дерево // Строительная наука и техника. – 2006. – № 5 (8). – С. 8–15.
7. Пилипенко, В.М., Данилевский, Л.Н., Таурогинский, Б.И., Ксенофонтов, М.А., Хатенко, А.С. Оконный блок. Патэнт РБ на карысную мадэль № 1323.
8. Данилевский, Л.Н., Таурогинский, Б.И. Исследование эффективности канальных теплообменников-рекуператоров воздух-воздух // Строительная наука и техника. – 2006. – № 4 (7). – С. 36–41.
9. СНБ 3.02.04–03 “Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха”.
10. Кремлевский, П.П. Измерение расхода многофазных потоков. – Л.: Машиностроение, 1982.
11. Измерение и учет расхода газа. Справочное пособие / В.А. Дашков, З.Г. Галиулин. – М.: Недра, 1979.