Система активного энергосбережения с рекуперацией тепла

Т. А. Ахмяров, научный сотрудник, НИИ строительной физики РААСН

В. С. Беляев, канд. техн. наук, зав. лабораторией ОАО «ЦНИИЭП жилища»

А. В. Спиридонов, канд. техн. наук, зав. лабораторией «Энергосберегающие технологии в строительстве» НИИ строительной физики РААСН, президент ассоциации АПРОК

И. Л. Шубин, доктор техн. наук, профессор, директор НИИ строительной физики РААСН

Следует признать, что при проектировании большинства уже возведенных в нашей стране энергоэффективных зданий использовалась лишь часть из общепринятых для Европы и США мер по снижению энергетических затрат на эксплуатацию. В основном в России применяется повышенная теплоизоляция ограждающих конструкций, современные светопрозрачные конструкции, системы регулирования отопления. Называть такие здания в полной мере энергоэффективными все-таки нельзя. Полученный опыт, без сомнения, необычайно полезен для России, однако удельные энергетические затраты на эксплуатацию подавляющего большинства существующих и проектируемых российских зданий массовой застройки значительно выше, чем в европейских странах [1].
Поскольку в России около половины всей вырабатываемой энергии тратится на эксплуатацию зданий [2], снижение теплопотерь необычайно актуально в отечественном строительстве.

Одной из основных характеристик энергетической эффективности зданий принято считать удельный расход энергии на отопление и вентиляцию 1 м² помещений в год. К сожалению, мы значительно отстаем от большинства европейских стран по данному показателю.
Именно поэтому был установлен своего рода план-график снижения удельного расхода на отопление помещений (рис. 1). К сожалению, установленные темпы снижения не соблюдаются. Этому много причин, но одной из основных является недостаточное использование в массовом строительстве современных энергосберегающих технологий. Также влияют определенные политические моменты, в том числе недостаточно решительные шаги региональных властей в направлении энергосбережения, и высокая стоимость новых разработок по сравнению с уже используемыми. Однако необходимость повышения энергетической эффективности отечественной строительной отрасли подтверждает опыт энергосбережения в Европе и США.

Согласно оценкам профессора Ю. А. Табунщикова [3], по мере повышения требований к показателям теплозащиты ограждающих конструкций доля затрат тепловой энергии на подогрев вентиляционного воздуха (теплопотери за счет воздухообмена) в балансе теплопотерь будет еще увеличиваться по сравнению с теплопотерями через оболочку здания. Это подтверждает построенная для Москвы диаграмма теплопотерь в многоквартирных домах типовых серий после достижения показателей, предусмотренных соответствующими рекомендациями федеральных и региональных органов на 2016 год (рис. 2).

Ресурс экономии энергии за счет пассивного увеличения теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий практически исчерпан. Кроме того, повышение энергетической эффективности здания невозможно при улучшении только одного из его элементов (оболочки, систем отопления и пр.) – нужно комплексное решение проблемы.
Удачным примером такого комплексного подхода к снижению энергопотребления являются
так называемые пассивные здания, в которых трансмиссионные теплопотери снижаются за счет повышения теплозащиты, устранения мостиков холода и т. д., а инфильтрационные и вентиляционные – за счет герметизации оболочки, использования механической вентиляции с рекуперацией, оптимизации работы вентиляционных установок (см. справку).

Требования к пассивному дому

Пассивные здания появились в Европе в начале 1990-х годов в результате успешной работы профессора Вольфганга Файста и его коллег и созданного ими Института пассивного дома2  (ИПД). Строительство таких зданий достаточно быстро стало одним из доминирующих направлений в европейском энергосберегающем домостроении. К настоящему времени построены сотни отдельных зданий и даже поселков, состоящих из таких сооружений, разработаны основы их проектирования и требования к конструкциям и инженерному оборудованию [7], а также методы оценки [8]. Уже созданы специальные стандарты для отдельных элементов и конструкций пассивных домов.

В соответствии с рекомендациями немецких специалистов [7], пассивный дом должен отвечать следующим основным требованиям:

• минимальные теплопотери из здания;
• оптимизация теплопоступлений при использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) как в летний, так и в зимний периоды года;
• улучшение теплоизоляции стандартных строительных элементов (кровля, стены, полы и т. д.);
• исключение по возможности тепловых мостиков в конструкциях за счет качественного выполнения работ и применения новых технологий;
  
• максимально возможная герметизация оболочки здания;
• применение энергосберегающих окон;
• обеспечение оптимальной вентиляции помещений с использованием высокоэффективной рекуперации тепла из удаляемого вентиляционными системами воздуха.

Для пассивных зданий в Европе удельный расход тепловой энергии на отопление не должен превышать 15 кВт•ч/м² в год, а общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление, горячая вода, электроэнергия) 120 кВт•ч/м² в год [7, 8]. Для аналогичных строений в климатических условиях Москвы удельный расход тепловой энергии на отопление будет составлять 31 кВт•ч/м² в год [9].

Обычно для ограждающих конструкций пассивного здания немецкие специалисты рекомендуют следующие коэффициенты теплопередачи:

для стен Uстены = 0,15 Вт/м²•°C (сопротивление теплопередаче R = 6,67 м²•°C/Вт);

для окон Uокна = 0,9 Вт/м²•°C (приведенное сопротивление теплопередаче R = 1,11 м2•°C/Вт).

Наиболее эффективными считаются стены и окна с сопротивлением теплопередаче соответственно для стен 10,0 м²•°C /Вт и для окон 1,42 м²•°C/Вт.
Строительство зданий с ограждающими конструкциями, отвечающими подобным необычайно высоким требованиям, становится во многих случаях экономически нецелесообразным. Это особенно показательно для много­этажных зданий – установка теплоизоляции для стен толщиной более 300 мм сложна и дорога.

Система активного энергосбережения

Одним из новых перспективных решений в этом направлении является применение наружных ограждающих конструкций зданий с системой активного энергосбережения (САЭ), позволяющих существенно повысить уровень теплозащиты и комфортности микроклимата помещений при значительной экономии топливно-энергетических ресурсов. Работы по созданию САЭ были начаты в России в последние годы на основе оригинальных исследований [4–6].

В основу метода положено совмещение САЭ с рекуперацией и утилизацией вторичных энергетических ресурсов, а также применение ВИЭ. Используются следующие механизмы:

• рекуперация уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения;
  дополнительная утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников с обменом тепла и влаги;
• ветровые дефлекторы;
• теплохладоаккумуляция за счет энергии солнечной радиации, поступление которой регулируется солнцезащитными и теплоотражающими устройствами, других возобновляемых источников энергии.

Основной принцип действия системы рекуперации трансмиссионного тепла (за счет теплопередачи и конвекции) и радиационного тепла (тепловое излучение) заключается в особой организации условий поступления потока наружного воздуха и дальнейшего прохождения его через конструкцию ограждения. В воздушном промежутке создается завеса из холодного наружного воздуха, максимально охлаждающая поверхности, слои, теплоотражающие экраны и гибкие связи, которые передают тепло в атмосферу. Здание снаружи становится более холодным, уходившее ранее тепло передается входящему воздуху, используемому для вентиляции в нормируемом объеме. Тепло и влага вентиляционных выбросов могут передаваться входящему воздуху посредством эффективных малогабаритных рекуператоров, встроенных в строительные конструкции.

Общая схема работы на примере использования светопрозрачной конструкции с САЭ приведена на рис. 3. Аналогичный принцип может быть применен и для других ограждающих конструкций.

Рисунок 3. Использование светопрозрачных конструкций при проектировании системы активного энергосбережения (САЭ)

Одна из основных составляющих предлагаемого комплексного технического решения – переход на децентрализованную приточно-вытяжную вентиляцию с эффективной рекуперацией тепла и влаги вентиляционных выбросов. Такие современные воздуховоздушные установки сегодня достаточно распространены, имеют стабилизированный регулируемый приток и вытяжку воздуха, а также очень высокий коэффициент полезного действия.

По предварительным оценкам, основанным на результатах проведенных в 2010–2012 годах лабораторных и натурных исследований, при использовании САЭ в зданиях различного назначения, в том числе в пассивных домах, можно значительно снизить теплопотери через ограждающие конструкции, а также в вентиляционных системах (рис. 2, 4). Также возможно снизить удельные расходы на отопление до европейских требований к пассивным домам, которые значительно жестче планов правительства РФ по энергосбережению, намеченных на 2020 год (рис. 1). При использовании САЭ в московских многоквартирных домах, по нашим оценкам, возможно достичь значений удельного расхода на отопление и вентиляцию в пределах 11–18 кВт•ч/м² в год с примерно равным балансом (по 33 %) трех основных видов теплопотерь.

Этот уровень снижения теплопотерь представляется несколько фантастическим, однако считаем его достижимым при применении предлагаемых систем активного энерго-сбережения.

Примеры САЭ

Принципиальная схема совместного функционирования приточно-вытяжной установки и энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций (ЭВОК) здания приведена на рис. 4. В данном варианте рассматривается децентрализованная поквартирная приточно-вытяжная вентиляция с обменом тепла и влаги, а также наружные ограждающие конструкции, состоящие из двух слоев: внутренней конструкции и внешней облицовки (остекления) – и теплоотражающего экрана, размещенного внутри воздушного потока. Приток и выброс использованного воздуха происходят через внешние вентиляционные шахты, размещенные на фасаде здания. Это позволяет несколько увеличить жилую площадь, а также отказаться от теплого чердака.

Приточный очищенный воздух поступает из вертикальной шахты и разводится по каналам в нижней части ЭВОК.?Известно: чем эффективней теплоотражающий экран, тем сильнее нагревается он под воздействием теплового излучения. Когда экран находится в более низкотемпературной зоне и постоянно охлаждается потоком холодного воздуха с последующей рекуперацией тепла в помещение, теплотехнический эффект повышается. Как показывают исследования, за время прохода вверх воздушный поток нагревается примерно на 3–5 °C (в отсутствие теплосъема на 12–15 °C).

Далее воздух собирается каналом и поступает в воздуховоздушный рекуператор, где обменивается теплом и влагой с вентиляционными выбросами. Примерное распределение температуры при прохождении потоков воздуха по системе показано на рис. 4. Отметим, что после вертикального участка со съемом тепла, уходящего в атмосферу, можно предусмотреть установку дополнительных теплообменников и теплохладоаккумуляторов для повышения энергетической эффективности САЭ.?Поток воздуха в помещение целесообразно направлять по потолку, что повысит комфортность для обитателей.

Возможная схема совместного функционирования системы рекуперации тепла вентиляционных выбросов и тепла, уходящего через наружные ограждения, представлена на рис. 5. Схема представлена для обычной типовой двухкомнатной квартиры. Рекуператор размещен в остекленной кухонной лоджии. Принцип движения воздушных потоков аналогичен описанному выше для рис. 4.

Впервые опыты по повышению теплотехнической эффективности све-то-прозрачных ограждающих конструкций за счет использования продольно-поперечной вентиляции межстекольного пространства с последующим применением рекуперации были проведены в 1988 году В. С. Беляевым [4], получившим очень высокие значения теплотехнической эффективности оконных блоков – 2,27 м²•°C/Вт. Однако работы не были продолжены, и лишь недавно это направление получило дальнейшее развитие [5, 6].

Эффективность ограждающих конструкций с САЭ

В 2010–2012 годах были проведены серии экспериментов3 по определению эффективности принципиально новых ограждающих конструкций, разработанных для использования в системе активного энергосбережения.
Принципиальная схема базовой модели экспериментального образца, представляющего собой вентилируемое деревянное окно с тройным остеклением из листового стекла и съемным теплоотражающим экраном, представлена на рис. 6.
На образце были проведены три серии испытаний в климатических камерах. Результаты экспериментов для 10 различных вариантов остекления (табл.), теплоотражающих экранов и режимов вентиляции можно видеть на рис. 7.
Максимальное значение теплотехнической эффективности такого довольно несложного окна с обеспечением вентиляции межстекольного пространства – 6,7 м²•°С/Вт, что в несколько раз выше показателей наиболее эффективных современных светопрозрачных конструкций.

Задача разработки приточного устройства с частичным подогревом наружного воздуха за счет теплового потока через оконное заполнение (экономайзерный эффект) требует решения комплекса вопросов, в том числе проведения следующих расчетов:

• расчета температуры приточного воздуха на выходе из устройства во всем реальном диапазоне температур наружного воздуха и нормируемых расходов воздуха (от 25 до 60 м³/ч), подкрепленного результатами лабораторных или натурных испытаний;
• аэродинамического расчета сопротивлений отдельных участков воздушного тракта с определением требуемой площади отверстий для поступления и выпуска воз-духа;
• определения параметров воздушной струи в помещении в диапазоне изменения температур и количества наружного воздуха по п. 1, которыми характеризуется приемлемость и эффективность рассматриваемого решения.

На основе проведенных испытаний и исследований были разработаны различные схемы светопрозрачных конструкций, которые возможно использовать в САЭ. В частности, на рис. 8 представлен вариант светопрозрачной конструкции из ПВХ-профиля. Окно состоит из двух автономных оконных коробок с различными вариантами светопрозрачных заполнений, в том числе теплоотражающими. Воздушный поток проходит между коробками с регулированием заслонками и выходит в помещение через распределитель или рекуператор.

Помимо этого разработаны варианты конструкций стен с навесной фасадной системой с вентилируемым воздушным зазором (рис. 9). Возможно использование фиброцементных и асбестоцементных плит с декоративным покрытием, а также иных облицовочных материалов. Варианты предлагаемого технического решения можно реализовать с использованием облицовочных панелей и вентилируемого воздушного зазора, а также за счет размещения в слое утеплителя дополнительного воздушного зазора с теплоотражающим экраном. Один из представленных вариантов с использованием однослойной железобетонной панели и организованным вентилируемым воздушным зазором удобен при реконструкции существующих зданий (рис. 9в).

Начиная с 2010 года, в двухкомнатной квартире площадью 57 м², расположенной на 10-м этаже московского 22 этажного дома, проводится натурный эксперимент по применению и оценке эффективности системы активного энергосбережения: верхняя часть окна работает на приток воздуха в комнату, а нижняя – на вытяжку (рис. 10). Мониторинг работы смонтированной системы показывает, что светопрозрачная конструкция обеспечивает комфортный режим микроклимата во всей квартире.

Полученные результаты экспериментальной оценки эффективности элементов САЭ интересны, но требуют дополнительного исследования и оценки. В настоящий момент рассматриваются дальнейшие шаги в развитие обоснования возможности использования САЭ в массовом строительстве и реконструкции зданий в климатических условиях России:

• экспериментальная оценка теплотехнической эффективности вентилируемых наружных ограждающих конструкций зданий с рекуперацией теплового потока, уходящего через ограждающие конструкции (проводятся работы со специальными опытными образцами);
• разработка и опытное внедрение в проектирование пилотных проектов типовых энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций с рекуперацией тепла (светопрозрачные конструкции, стены, крыши и тепло вентиляционных выбросов);
• разработка и внедрение в проектирование специальной децентрализованной приточно-вытяжной системы вентиляции с рекуперацией тепла на базе энергоэффективных вентилируемых ограждающих конструкций, теплообменников, устройств с использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (солнцезащитные устройства, солнечные коллекторы, фотоэлементы, тепловые насосы, ветровые аккумуляторы энергии и другие системы).

Подводя итог, мы можем сделать следующие основные выводы:

Энергосберегающее домостроение, в том числе и возведение пассивных зданий, стало доминирующей мировой тенденцией. Россия пока значительно уступает европейским странам и США в объеме строительства домов с повышенной энергетической эффективностью, несмотря на закон 261-ФЗ.

Необходимые для энергоэффективных зданий ограждающие конструкции с использованием распространенных в мире и России технологий достигли своего предела по теплотехническим характеристикам, дальнейшее улучшение которых становится экономически нецелесообразным.

Одним из альтернативных эффективных решений для энергосберегающего домостроения могут стать ограждающие конструкции с использованием САЭ с рекуперацией тепла, которые можно реализовать во многих существующих наружных ограждениях с минимальной модернизацией.

При применении САЭ имеется возможность значительного снижения теплопотерь через ограждающие конструкции и светопрозрачные заполнения за счет специальных теплоотражающих экранов и организованного особым образом потока наружного воздуха.

В основу предлагаемой САЭ положено использование высокоэффективных современных рекуператоров с высоким КПД (более 90 %) для исключения теплопотерь через наружные ограждающие конструкции, а также утилизации тепла вентиляционных выбросов.

Полученные в ходе предварительных исследований светопрозрачных конструкций значения условного сопротивления теплопередаче составили от 2,27 м²•°C/Вт (данные В. С. Беляева, 1988 год) до 3–6 м²•°C/Вт
(эксперименты, проведенные в 2010– 2012 годах в НИИ строительной физики РААСН) при широком диапазоне расхода приточного воздуха от 6 до 80 м³/ч.

Проводимый в течение 2010–2013 годов натурный эксперимент в двухкомнатной квартире многоэтажного жилого дома в Москве показал высокую эффективность разрабатываемой САЭ.

При использовании САЭ в ограждающих конструкциях становится возможным применение новых материалов в связи с тем, что в вентилируемом промежутке с активным теплосъемом и рекуперацией тепла можно применять материалы с большей теплопровод-ностью.

Применение САЭ в массовом строительстве позволит достичь требуемых показателей энергетической эффективности в строительной отрасли на 2016–2020 годы.

Литература

1. Шубин И., Спиридонов А. Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения // Вестник МГСУ. – 2011. – ? 3. Т. 1.
2. Шубин И., Спиридонов А. Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли // Энергосбережение. – 2013. – 1.
3. Табунщиков Ю. Малозатратные оперативные мероприятия по экономии энергии // Энергосбережение. – 2012. – 8.
4. 4. Беляев В., Хохлова Л. Проектирование энергоэкономичных и энергоэффективных зданий. М. : Высшая школа, 1992. 255 с.
5. Беляев В., Граник Ю., Матросов Ю. Энергоэффективность и теплозащита зданий. М. : АСВ, 2012. 400 с.
6. Беляев В., Лобанов В., Ахмяров Т. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла // Жилищное строительство. – 2011. – 3.
7. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М. : АСТ, 2011.
8. Пакет проектирования пассивных домов PHPP 2007 (2012). PassivHaus Institut.
9. Бродач М., Ливчак В. Здание с близким к нулевому энергетическим балансом // АВОК.  – 2011. – 5.

Программа по экспресс-оценке эффективности энергосберегающих решений –

Программа позволяет оценить вклад конкретного энергосберегающего решения в снижение теплопотребления конкретного здания за счет применения энергосберегающего оборудования, технологии или мероприятия, таких как: - регулирование расхода потребления тепловой энергии на вводе в здание или квартиру (устройство ИТП, автоматизированного узла управления, квартирного теплового пункта и т.д.); - регулирование теплоотдачи отопительных приборов (пофасадное регулирование, прерывистый режим отопления, устройство термостатов, комнатных контроллеров); - снижение трансмиссионных теплопотерь через наружные светонепроницаемые ограждающие конструкции (уменьшение влияния мостиков холода, повышение теплотехнической однородности ограждающей конструкции); - снижение трансмиссионных и инфильтрационных теплопотерь через наружные светопроницаемые ограждающие конструкции (применение ночных штор); - регулирование вентиляционного воздухообмена в зависимости от потребности (устройство приточных регулируемых устройств, центральных и местных вентиляционных установок, персональной вентиляции). - использование утилизаторов теплоты вытяжного вентиляционного воздуха для нагрева/охлаждения приточного (применение пластинчатых теплообменников, теплообменников с вращающейся теплообменной насадкой (роторных рекуператоров), теплообменников с промежуточным теплоносителем (теплообменники жидкость-воздух). Подробнее