» » Пути экономии энергозатрат в зданиях

Пути экономии энергозатрат в зданиях

19.04.2016

Предполагается, что в конце XX и в начале XXI в. потребление топливно-энергетических ресурсов ежегодно будет возрастать на 3%, однако прогнозируемое увеличение производства энергии, главным образом, за счет использования природных углей и ядерной энергии окажется недостаточным для покрытия растущих потребностей.
Исследования показывают, что в результате совершенствования норм строительного проектирования можно достичь экономии до 15% годового расхода энергии при эксплуатации зданий, в том числе в результате повышения уровня теплоизоляции ограждающих конструкций — примерно на 4%.
Нормы строительного проектирования большинства зарубежных стран (Финляндия, США, Швеция и др.) содержат специальные указания по снижению энергопотребления зданий вследствие рационального выбора объемно-планировочного решения, в том числе формы и соотношения размеров, габаритов помещений, схем размещения оборудования и т. д.
При выборе формы и размеров здания предпочтение отдается объемно-планировочным решениям с минимальным отношением длины к ширине, а также площади наружных ограждений к объему здания для уменьшения расхода энергии на обогрев и охлаждение помещений. С той же целью устанавливается рациональное соотношение между числом этажей и площадью пола в многоэтажных зданиях. Накопленный опыт строительства свидетельствует о том, что при квадратном в плане здании по сравнению с прямоугольным с соотношением сторон 2:2,5 может быть достигнута экономия энергии в 5—6%, а при круглом здании до 15%. Уменьшением площади северного фасада здания и установление оптимальной площади световых проемов в стенах и покрытии сокращают теплопотери через ограждающие конструкции.
Только в результате снижения площади остекления с 75 до 25% экономия энергии может составить до 50%. При этом в широких зданиях рационально использовать для освещения помещений большой глубины световоды, которые обеспечивают заданный уровень освещенности при минимальном расходе электроэнергии. Оборудование, выделяющее тепло, рекомендуется размещать в средней части здания или с северной стороны его, чтобы с наибольшим эффектом использовать поступающее в помещения бесплатное тепло. Повышение плотности застройки территории путем блокирования зданий и помещений позволяет получить существенный эффект в энергосбережении в результате сокращения площади стен. Так, при блокировании бумагоделательного завода с целлюлозным экономия общего потребления тепла составила 12—15%, а электроэнергии — 4—5% по сравнению с вариантом раздельного размещения.
Важное место при определении конфигурации, ориентации и размещения здания уделяется влиянию ветра на инфильтрацию воздуха через наружные ограждающие конструкции и воздействию солнечной радиации. Зарубежные нормы ориентируют на максимальную возможность использования тепла солнечной радиации. При этом они исходят из того, что южные фасады зданий получают в 2—3 раза больше солнечной энергии на единицу площади, чем северные, и что возможности использования солнечной энергии, кроме ориентации здания, определяются его формой, расположением окон, их размерами, планировкой помещений, решениями стен и покрытий.
Установлено, что в зданиях с отношением длины к ширине не менее 4 при широтной ориентации общее поступление энергии за счет солнечной радиации в отопительный период на 5—11% больше, чем при меридиональной. Отмечая определенную противоречивость требований, которые следует учитывать при выборе объемно-планировочных решений зданий (например, уменьшение площади наружных стен для ограничения теплопотерь через них и увеличение площади южных фасадов для повышения эффективности использования тепла солнечной радиации), в каждом конкретном случае решение должно приниматься на основе математического моделирования с учетом всех факторов.
Методы снижения энергетических затрат в производственных зданиях с помощью рациональных архитектурно-планировочных решений обладают тем достоинством, что, как правило, не требуют дополнительных капиталовложений на развитие материально-технической базы строительства и поэтому должны широко внедряться в практику.
Большинство из рассмотренных приемов используется при проектировании и строительстве объектов промышленного назначения в России. В действующие нормативные документы включены требования о повышении плотности застройки, в том числе за счет блокирования зданий, учета климатических факторов, рельефа и окружающей застройки при выборе ориентации здания, применения рациональной формы и размеров зданий для ограничения энергозатрат при их эксплуатации и т. д.
Вместе с тем резервы использования этих методов представляются далеко не исчерпанными. Еще не дифференцируется площадь остекления в соответствии с ориентацией фасадов и климатическими условиями, не учитываются размеры, назначение и площади помещений при выборе их ориентации по странам света, не используется рациональная окраска фасадов и т. д.
Комплекс мероприятий, направленный на максимальную экономию энергии при эксплуатации зданий, реализован в значительной степени в Финляндии, где осуществлено экспериментальное строительство уже трех поколений энергоэкономичных административно-бытовых зданий. Сокращение объема здания достигается благодаря исключению традиционных воздуховодов и использованию воздушных каналов пустотелых плит перекрытий. Это позволило уменьшить высоту помещений, получив выигрыш в одном этаже на каждые четыре. Световые люки, лифты, туалеты и вертикальные трубопроводы сблокированы в центре здания. В итоге нерациональная часть общей площади здания сведена к минимуму. Для каждого помещения в зависимости от его назначения установлен оптимальный уровень теплоизоляции.
Если в обычном здании бесплатное тепло, выделяемое в рабочее время людьми, источниками искусственного освещения, солнечной радиацией, а также оборудованием (например ЭВМ), приводит часто к перегреву помещений, то в таком здании оно используется максимально. Низкому расходу тепловой энергии при эксплуатации в значительной мере способствует высокая теплоемкость здания в целом, обусловленная применением материалов, хорошо адсорбирующих тепло, и функциональными особенностями ограждающих конструкций. Пустотелые плиты междуэтажных перекрытий имеют большую теплопередающую поверхность, которая аккумулирует избыточное тепло при циркуляции воздуха в воздушных каналах и отдает его внутреннему воздуху в нерабочее время, когда отключена система освещения (рис. 1).
Пути экономии энергозатрат в зданиях

Заполнение световых проемов выполнено специальными оконными блоками с раздельным четырехслойным остеклением, включающим трехслойный наружный стеклопакет и внутреннее стекло, между которыми расположены жалюзи, аккумулирующие тепло. Окна обладают высокой тепло- и звукоизолирующей способностью. Они являются одновременно накопителями тепла солнечной радиации и ее регуляторами. Воздух, распределяемый по помещению комнатной системой кондиционирования, пропускается через отверстия в нижней части внутреннего переплета в межстекольное пространство, где нагревается за счет поглощения 55% всей солнечной радиации, падающей на остекление. Затем он поступает в воздуховоды, очищается, увлажняется, при необходимости смешивается с небольшим количеством свежего наружного воздуха или подогревается, после чего через воздушные каналы междуэтажных перекрытий раздается по помещениям. Значительная экономия электроэнергии достигнута в результате рациональной системы совмещенного освещения. При установленном оптимальном уровне освещенности в 800—900 люкс расход электроэнергии составляет 17 Вт/м2, что в 2 раза ниже среднего потребления электроэнергии в существующих зданиях аналогичного назначения.
Большой интерес представляет реализация идеи использования фундамента здания в качестве естественного резервуара тепла. Солнечные батареи, расположенные на покрытии здания, аккумулируют тепло, которое передается в специальный накопитель, размещенный в фундаменте. Это тепло может быть использовано для обогрева воздуха, подаваемого с помощью вентилятора в помещения. В летнее время охлажденный фундамент может служить накопителем холода, который используется для снижения температуры воздуха в помещении.
Обогрев, вентиляция и освещение помещений контролируются микропроцессорной системой ЭВМ. С ее помощью получают данные о максимальной утилизации тепла, наиболее экономичном перепаде температуры в ночное время, об оптимальных дневных отклонениях температуры в помещениях, а также о рациональном использовании теплоемкости ограждающих конструкций. Ежегодное потребление тепла составило всего 70 кВт*ч/м2, а электроэнергии 57 кВт*ч/м2, что значительно ниже, чем в зданиях аналогичного назначения, строящихся в Финляндии, Франции, США.
Экономия энергозатрат в процессе эксплуатации здания во многом зависит от уровня теплозащиты ограждающих конструкций. Из всей суммы затрат тепла в производственных зданиях 1/4 теплопотерь приходится на ограждающие конструкции. Удельный вес их составляет: через глухие участки стен 12%, через фонари — 17%, окна — 39%, покрытия — 20%, пол — 8%, двери и ворота — 4%. Таким образом, суммарные теплопотери через покрытия, фонари и окна составляют более 70% всех потерь тепла через ограждающие конструкции.
В большинстве зарубежных стран за последнее время резко возросли значения нормируемых сопротивлений теплопередаче, которым должны отвечать современные ограждающие конструкции (табл. 3). Они, как показывает анализ, в ряде случаев в 1,2—3 раза выше требований отечественный норм. В некоторых Скандинавских странах (Швеция, Норвегия), отличающихся наиболее суровыми климатическими условиями и отсутствием местных источников топливных ресурсов, фактический уровень теплоизоляции часто превышает требования действующих норм.
Пути экономии энергозатрат в зданиях