Новый век ОВК: проблемы и перспективы

Ю. А. Табунщиков,  член-корр. Российской Академии Архитектуры и Строительных работ, профессор, президент Ассоциации “АВОК”

Введение

Заканчивается XX век. Он отмечен выдающимися открытиями, новыми технологиями и техническими решениями, которые радикально изменили уровень жизни людей.

Вопросы технологии и техники создания и защиты среды обитания человека к концу века приобрели первостепенное значение. Забота о комфортности и здоровье человека в помещениях зданий и в застройке становится чрезвычайно важной в связи с осложнением экологической обстановки на земле, особенно в многочисленных мегаполисах с многомиллионным населением. Наступает время, когда здания должны защищать человека от загрязнений окружающей среды. Современные здания должны быть комфортными, с высоким качеством внутренней среды, они должны быть разумно экономичными с эффективным использованием энергии. Представляется, что начало XXI века будет посвящено качеству микроклимата и нетрадиционным источникам энергии.

Сегодня энергетическая проблема не просто входит в число глобальных проблем современности, обеспечивая современную индустриальную и постиндустриальную цивилизацию, но она определяет геополитику мира, всю мировую динамику. Символично, что финал переходных экономических процессов в нашей стране пришелся на жилищно-коммунальную энергетику. Наступил логический конец искусственно дешевому бытовому комфорту: теплу, газу, электричеству.

Следует ожидать, что развитие нашей специальности в первой четверти XXI века будет определяться следующими факторами:

1) наша деятельность представляет самый энергоемкий сектор хозяйствования в России (как, впрочем, и в большинстве развитых стран);

2) возрастает отрицательное влияние микроклимата помещений на здоровье человека и производительности труда;

3) микроклимат помещений есть часть окружающей среды.

Предлагаемая вниманию читателей статья не содержит результатов глубоких исследований (но опирается на них), и ряд ее положений может вызвать возражения тех или других специалистов. Кроме того, статья включает материал только по отдельным аспектам развития систем климатизации зданий, которые автору казались наиболее важными (и опять это может вызвать возражение). Здесь автор пытается сказать о том, что ему хотелось бы, чтобы произошло. Необходимо отметить, что журнал “АВОК” уделяет большое внимание вопросу климатизации зданий, и автор в статье опирается на некоторые материалы, освещающие данную проблему, которые были опубликованы в “АВОК”.

Микроклимат помещений

В последнее 20-летие уходящего века внимание огромного числа специалистов в области климатизации зданий сосредоточено на понятии “микроклимата помещений”. Ни по какой другой проблеме в нашей области не проводится так много конференций в различных частях мира, и никакие другие конференции не собирают такого большого форума специалистов, как конференции, посвященные “здоровью зданий”, качеству внутреннего воздуха, вентиляции, допустимому качеству воздуха в зданиях и т. д.

Причина такого внимания включает в себя, во-первых, неудовлетворенность современным состоянием микроклимата в зданиях, его отрицательным влиянием на здоровье людей и производительность труда, во-вторых, рост энергозатрат на более эффективные по величине воздухообмена системы вентиляции. Например, в докладе президента ASHRAE г-на George A. Jackins на Зимнем Съезде в 1999 году приведены тревожные даже для США статистические данные: один миллион зданий в США имеет плохое качество воздуха, в результате чего снижается производительность труда и величина этих потерь достигает 60 млрд. долларов США в год.

К настоящему времени выявлены следующие требования к микроклимату помещений [1, 2]:

- понятие “вредности помещений” жилых зданий включает в себя большой комплекс показателей: окись углеродов (продукты сгорания), окружающий табачный дым, оксиды азота, биологические загрязняющие вещества, неорганические летучие соединения, радон, запахи людей, формальдегиды, бытовые химические вещества и т. д.;

- обеспечение условий микроклимата помещения включает в себя усредненные данные для больших групп людей, а также индивидуальные потребности каждого человека, то есть системы ОВК должны предусматривать возможности индивидуального регулирования параметров микроклимата в пределах нормативного диапазона;

- при проектировании систем ОВК необходимо ориентироваться не только на нейтрализацию постоянно действующих возмущений, но также учитывать кратковременные изменения возмущений.

Чтобы российские нормативные требования приближались к современным международным требованиям к качеству микроклимата помещений, в ближайшие годы необходимо выполнить, как минимум, следующие работы:

1. Целесообразно ГОСТ 30494-96 “Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях” разделить на два ГОСТа – отдельно для жилых и отдельно для общественных зданий.

2. Необходимо разработать “Свод правил” по расчету требуемого воздухообмена в жилых и общественных зданиях с использованием в нем результатов мировых достижений по исследованию вредностей помещений.

3. Целесообразно организовать отечественную специальную конференцию по типу “Healthy Buildings” или “Roomvent” и проводить ее раз в полтора-два года.

Вентиляция зданий

Вентиляция зданий есть способ регулирования микроклимата помещений. Поэтому, как только речь заходит о микроклимате помещений, сразу говорят о вентиляции зданий.

Кардинальные вопросы ближайших лет – это необходимость использования механической вентиляции многоэтажных жилых зданий [3, 4, 5] и разработка систем вентиляции, обеспечивающих возможность индивидуального регулирования параметров приточного воздуха. Здесь остановимся только на первом вопросе.

Создатели крупнопанельного домостроения отдавали себе отчет в том, что только использование воздушного отопления совместно с вентиляцией гарантирует в значительной степени качество воздуха в многоэтажных зданиях массовых серий.

Однако, проблемы, связанные с требованием высокой герметичности конструкций зданий и воздуховодов системы вентиляции, не были решены, и специалисты вынуждены были временно (как казалось тогда) перейти к использованию системы естественной вентиляции и водяного отопления.

Требования энергосбережения, а в ряде случаев – защиты от наружного шума, послужили причиной использования окон повышенной герметичности.

В результате, воздухопроницаемость новых окон высокой герметичности не обеспечивает необходимого воздухообмена в квартирах под действием естественного гравитационного напора.

Специалисты ряда стран видят выход из положения в организации механической приточной и вытяжной вентиляции в жилых зданиях.

Ответ на вопрос о необходимости широкомасштабного перехода на механическую вытяжную вентиляцию в панельных жилых зданиях является положительным, а ее сочетание с механической приточной или естественной приточной вентиляцией требует проведения ряда целенаправленных сравнительных исследований на зданиях, оборудованных различными сочетаниями вентиляционного воздухообмена.

Для повышения качества проектирования вентиляции было бы целесообразно в ближайшее время разработать нормативно-правовые документы по проектированию вентиляции и по допустимому качеству микроклимата отдельно для жилых и общественных зданиях, а также по эксплуатации и обслуживанию систем вентиляции здания.

Следует ожидать в ближайшие годы все более широкого применения в большинстве общественных зданий (типа помещений театров, концертных залов и им подобных) так называемой вентиляции вытеснением (displacement ventilation) [6], а в большепролетных общественных зданиях типа легкоатлетических манежей и помещений плавательных бассейнов – вентиляции с раздачей воздуха соплами.

Большое распространение должна получить система отопления-вентиляции помещений зданий, являющаяся сочетанием механической приточной вентиляции и специального нагрева внутренних поверхностей наружных ограждений [6]. Последний может осуществляться либо встроенными на поверхностях нагревателями, например, электрическими греющими обоями, либо настилающимися теплыми струями, либо лучистыми ТЭНами. Такие системы по своим теплоэнергетическим характеристикам приближаются к оптимально энергоэкономичным.

Ограждающие конструкции зданий

В настоящее время требуемая теплозащита зданий определяется на основе теплотехнических характеристик ограждения в условиях стационарной теплопередачи.

Очевидно, что в условиях нестационарной теплопередачи, наиболее ярко выраженной в летних условиях, или в зимнее время в периоды резкого похолодания, или в помещениях зданий с возможностью понижения температуры внутреннего воздуха в ночное время или в выходные и праздничные дни, значительную роль в энергосбережении играют теплоаккумуляционные характеристики ограждений. Их возможности недостаточно изучены, но представляют большой интерес.

Результаты исследований показывают, что наиболее предпочтительными материалами для ограждающих конструкций зданий являются материалы с низким коэффициентом теплопроводности и высоким значением объемной теплоемкости. Кажется, таких материалов сегодня нет. Поэтому их следует создать.

В XXI веке должен получить развитие метод выбора ограждающих конструкций, основанный на учете заданных и допустимых изменений внутренних и наружных климатических условий и особенностей системы климатизации здания. Здесь появится возможность оптимизировать не только теплотехнические характеристики ограждений, но также выяснить оптимальную конструкцию: состав материалов, порядок расположения слоев и их толщину.

Оптимизация систем климатизации зданий

По заключению специалистов Мировой энергетической комиссии (МИРЭК), “современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности формирования теплового режима, а проектировщики не умеют оптимизировать теплоту и массу в ограждающих конструкциях”.

Такое заключение во многом является следствием того обстоятельства, что главным инструментом исследователей в XX веке являлся метод “проб и ошибок”. Не умаляя достоинств и заслуг перед наукой этого метода, отметим только, что приблизиться с его помощью к “истине” мог, как правило, только достаточно опытный исследователь. Огромные, практически нетронутые возможности заложены в прямых математических методах поиска оптимизации решений сложных энергетических систем, таких как система ОВК здания или как само здание. Это вариационные методы, методы линейного и динамического программирования, системный анализ. Эти методы получили широкое применение в механике, электроэнергетике, экономике, но “обошли стороной” нашу специальность.

Первыми шагами по применению прямых оптимизационных методов в нашей специальности являются

работы [7]. Результаты поистине удивительные! Безусловно, что в XXI веке эти методы станут основными не только для исследователей, но также для проектировщиков и архитекторов и станут научной основой проектирования действительно энергоэффективных зданий.

Оптимизационные методы математического моделирования должны получить большое развитие в компьютерных управляющих системах типа Control System и BACnet System [8, 9].

Может быть, здесь они откроют значительно большие возможности, чем в исследованиях или в проектировании.

Возможности нетрадиционной энергетики

В климатических условиях России наибольшее развитие могут получить, в первую очередь, тепловые насосы, использующие тепло грунта для теплоснабжения здания. Эффективность их применения для малоэтажного строительства доказана многолетними исследованиями фирмы “Инсолар”. Для многоэтажных зданий их эффективность будет оценена в ближайшие годы на экспериментальных объектах в микрорайоне Никулино-2 [10]. Ожидается, что использование здесь тепловых насосов позволит снизить теплопотребление здания в два раза.

Даже в климатических условиях Москвы будут настойчиво добиваться своего “места под солнцем” пассивные методы использования тепла солнечной радиации в тепловом балансе здания.

Слово за архитекторами, которые, безусловно, разработают соответствующие проекты зданий.

Энергоэффективные экспериментальные и демонстрационные здания

Строительство на основе типовых решений будет продолжать развиваться в России, но все большую долю в общем объеме строительства будут занимать нетрадиционные решения в архитектуре, строительных конструкциях и системах климатизации зданий.

Уже сегодня у отечественных исследователей имеется много идей о реструктуризации строительной индустрии с целью принципиального повышения тепловой эффективности зданий, в том числе за счет использования высоких технологий и нетрадиционной энергетики [11, 12].

В XXI веке строительство экспериментальных энергоэффективных зданий, ценность которых включает значительную долю интеллектуального продукта, должно стать типовым явлением.

Заключение

Одно несомненно – наша специальность стоит на грани ряда замечательных и удивительных открытий, которые произойдут в этот период. И с этим согласится каждый специалист, который внимательно следит за тем, что происходит в мире с нашей областью деятельности.

Литература

1. P. Ole Fanger. Качество внутреннего воздуха в XXI веке: в поисках совершенства. – “АВОК”, 2000, № 2.

2. Ярмош А. И., Плотникова Л. В. Экологическое сопровождение объектов жилищного строительства. – “АВОК”, 1999, №5.

3. Китайцева Е. Х., Малявина Е. Г. Естественная вентиляция жилых зданий. – “АВОК”, 1999, № 3.

4. Макс Шерман. Качество воздуха в жилых зданиях. – “АВОК”, 1999, № 5.

5. Ливчак В. И. Решения по вентиляции многоэтажных жилых зданий. – “АВОК”, 1999, № 6.

6. Антонио Бриганти. Системы воздухораспределения. Новейшие принципы. – “АВОК”, 1999, № 3.

7. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий. – “АВОК”, 1998, № 1.

8. BACnet: вопросы и ответы. – “АВОК”, 1998, № 1.

9. Mark Ancevic. Система интеллектуального здания для аэропорта. – “АВОК”, 1998, № 3.

10. Энергоэффективный жилой дом в Москве. – “АВОК”, 1999, № 4.

11. Богословский В. Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии. – “АВОК”, 1998, № 3.

12. Булгаков С. Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии. – “АВОК”, 1999, № 2.