Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

259

10. Вопросы экономики при отоплении помещений

(на примере Германии)

10.1. Применение улучшенной тепловой изоляции

Введение

Рост объемов жилой площади, которая сегодня составляет, напри-

мер, в Германии в среднем 36 м

на человека, приводит к тому, что одна

треть от общего энергопотребления используется для отопления помеще-

ния (рис. 10.1). Приблизительно три четверти энергии, расходуемой в бы-

ту, необходимы для отопления жилья (рис. 10.2).

Рис. 10.1. Среднегодовое распределение расхода энергии потребителями

в Германии в 1991 г.

Среднегодовое потребление энергии для отопления помещений со-

ставляет от 160 до 260 кВт·ч/м

для систем центрального отопления, рабо-

тающих на природном топливе. На рис. 10.3 показано годовое потребление

тепловой энергии в зданиях различных конструкций [11].

В настоящее время существует термин – дом с низким потреблением

энергии. Потребление энергии в таком доме составляет только одну треть

от среднего потребления энергии во всем жилищном фонде Германии.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

260

Строительство таких домов открывает возможность сократить выбросы

углекислого газа и защитить окружающую среду.

Нагрев воды для

бытовых нужд

12%

Приготовление

пищи

Освещение

1,5%

Обогрев

помещений

Использование

электромеханических

машин

76,5%

Рис. 10.2. Среднегодовое распределение расхода энергии в быту

в Германии в 1991 г. (без транспорта)

Последние нормативы Федерального правительства по использова-

нию тепловой изоляции направлены на сокращение ежегодного потребле-

ния тепла в новых зданиях примерно на 30 % по сравнению с прежними

нормативами 1982 г., а также на уменьшение тепловых потерь в сущест-

вующих зданиях. Перед концом десятилетия намечается принятие еще бо-

лее строгих норм. Тогда все здания должны будут строиться согласно

стандарту низкого потребления энергии.

Опыт Германии по этой проблеме представляет наибольший интерес

для условий России, так как именно в данной стране за последние 30 лет

достигнуто значительное (в 2 – 3 раза) снижение расхода топлива на ото-

пление, в том числе при целевой реконструкции жилья бывшей ГДР.

Конструкции зданий с низким потреблением энергии

Архитектор и заказчик должны уже сегодня использовать стандарты

низкого потребления энергии при проектировании и строительстве новых

зданий. Такие здания не должны отличаться от обычных внешним видом.

Хорошая архитектура и высокий уровень жизни, возможность сохранения

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

261

энергии и защита окружающей среды должны не исключать, а дополнять

друг друга.

Рис. 10.3. Годовое энергопотребление для отопления помещении в зданиях

различных конструкций, кВт·ч/м

Дополнительные затраты

Применение улучшенной тепловой изоляции ведет к увеличению за-

трат при строительстве. В новых нормативах по использованию тепловой

изоляции дается количественная оценка дополнительных затрат при строи-

тельстве:

• больших зданий 1,5... 2,5 %;

• маленьких зданий 2,5...4 %.

В среднем строительство зданий с низким потреблением энергии

приводит к росту затрат на 3...5 %. Использование систем вентиляции воз-

духа также увеличивает затраты на 1,5...2,5 %.

Этот небольшой рост затрат может быть скомпенсирован отказом от

использования дорогостоящих проектных решений в других частях здания.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

262

Количественные и качественные изменения в энергопотреблении

становятся очевидными при рассмотрении теплового баланса дома с низ-

ким потреблением энергии:

• благодаря улучшенной теплоизоляции внешних ограждений здания

тепловые потери путем теплопередачи уменьшаются до одной трети по

сравнению с обычным домом;

• тепловые потери, связанные с вентиляцией, сокращаются до значе-

ний, обеспечивающих санитарные нормы. Однако их доля в общих поте-

рях увеличивается;

• тепловые потери вследствие вентиляции становятся настолько зна-

чимыми, что может представить интерес система утилизации тепла;

• количество потребляемой солнечной энергии уменьшается, но ее

доля в балансе энергии здания значительно возрастает;

• дом с низким потреблением энергии нагревается главным образом

энергией солнца и внутренних источников. Система отопления должна по-

крывать менее 50 % тепловых потерь;

• жители зданий с низким потреблением энергии оказывают большое

влияние на тепловой баланс здания, поскольку потери, связанные с венти-

ляцией помещений, составляют значительную часть общих тепловых по-

терь.

Наиболее эффективной стратегией, ведущей к сокращению потреб-

ления энергии для обогрева зданий, является оптимизация теплоизоляции.

Тепловые потери вследствие теплопередачи

Передача тепла через стены, окна и другие части здания в окружаю-

щее пространство описывается так называемым k-фактором, Вт/(м

·К), оп-

ределяемым как тепловой поток через один квадратный метр при разности

температур в 1 К. Чем ниже k-фактор, тем меньше тепловые потери. Для

стен тепловые потери определяются теплопроводностью и теплоотдачей с

поверхности.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

263

Гиперболическая кривая (рис. 10.4) показывает зависимость тепло-

передачи от толщины теплоизоляционного слоя. Увеличение толщины

изоляции в два раза приводит к снижению тепловых потерь на 50 %

(сплошная линия). В реальных зданиях должны быть приняты во внимание

дополнительные условия: тепловые мосты, сокращение времени нагрева

вследствие наличия внутренних источников тепла, солнечная радиация.

Все это приводит к более высокому уровню тепловых потерь (пунктирная

линия).

Рисунок 10.4 демонстрирует следующее:

- важность применения надежной теплоизоляции;

- необходимость ограничения толщины тепловой изоляции, по-

скольку чрезмерное ее возрастание не приводит к существенному сниже-

нию тепловых потерь;

- в среднеевропейском климате увеличение толщины теплоизоляци-

онного слоя сверх 20 см не приводит к более высокому уровню сбереже-

ния энергии. Не существует «дома с нулевым потреблением тепла», по-

скольку тепловые потери не могут быть уменьшены до нулевого значения,

даже с помощью суперизоляции.

Толщина изоляции (см)

Теплопередача (Вт/м К)

0 4 8 12 16 20 24 28 32

0.25

0.5

0.75

1.25

1.5

1.75

Толщина изоляции d

Теплопроводность

Теплопередача =

λ=0,04

Вт/мК

Рекомендуемый диапазон

Рис. 10.4. Теплопередача в изоляционном слое,

отнесенная к его толщине (λ/d)

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

264

В Германии диапазон рекомендуемой толщины теплоизоляционного

слоя находится между 8 и 20 см. На рис. 10.5 и рис. 10.6 представлены ус-

редненные значения толщины теплоизоляции для различных стран. Легко

видеть влияние климатических условий.

Конструкции зданий

Значительное влияние на потребление энергии оказывает размер

внешней поверхности здания. Компактная конструкция здания с малой по-

верхностью при неизменном обогреваемом объеме снижает тепловые по-

тери и, следовательно, затраты на обогрев. Это так называемое А/V – от-

ношение площади поверхности к объему является важным фактором при

проектировании зданий с низким потреблением энергии.

Рисунок 10.7 показывает важность этого соотношения.

Уход от тепловых мостов

Тепловые мосты вызывают рост локальных тепловых потерь, увели-

чивая общие тепловые потери за счет теплопередачи. Улучшение тепловой

изоляции снижает значение таких утечек в тепловом балансе здания.

0 50 100 150 200 250

Щвеция

Финляндия

Дания

Норвегия

Швейцария

Франция

Австрия

Испания

Голландия

Германия

Италия

Великобритания

Бельгия

Ирландия

Турция

Страна

Стены

6 см

Толщина изоляционного слоя (мм)

Рис. 10.5. Используемые толщины теплоизоляции стен, данные 1990 г.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении по-

мещений

265

0 50 100 150 200 250 300 350

Финляндия

Швеция

Норвегия

Дания

Франция

Австрия

Великобритания

Германия

Швейцария

Ирландия

Голландия

Испания

Италия

Турция

Бельгия

Страна

Крыша

12 см

Толщина изоляционного слоя (мм)

Рис. 10.6. Используемые толщины теплоизоляции крыши, данные 1990 г.

Вариант А

100 %

Вариант В

150 %

1 000 %

соприкасается с воздухом

соприкасается с землей

Рис. 10.7. Конструкции зданий с различным А/V-отношением

Окна

Тепловые потери через окна определяются значениями теплопро-

водности, конвекции и излучения. Несколько лет назад окна были самыми

слабыми местами в здании в отношении тепловых потерь. В настоящее

время разработаны весьма совершенные конструкции окон. Конвекция

между стеклами уменьшена благодаря использованию специальных газов,

в частности аргона. Излучение существенно снижено вследствие использо-

вания покрытия, нанесенного на стекло. В этих новых конструкциях

k-фактор может спадать до 0,6 Вт/(м

·К).

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

266

Плотность внешнего покрытия здания

Внешнее покрытие здания должно быть достаточно плотным, по-

скольку утечки воздуха в местах неплотных стыков нежелательны по мно-

гим причинам:

• в зависимости от числа и размера этих стыков они ведут к боль-

шим или меньшим неконтролируемым тепловым потерям;

• возможны повреждения конструкций из-за скапливания конденси-

рующейся влаги;

• при низкой внешней температуре и сильном ветре возможно резкое

возрастание тепловых потерь.

Для устройства современных систем вентиляции, отвечающих сани-

тарным нормам, воздухонепроницаемость покрытия здания является наи-

более важным условием. Ее достижение – задача как конструктора, так и

строителя здания.

Для домов с низким потреблением энергии желательно испытание

повышенным давлением для выявления возможных утечек воздуха. Для

этого испытания может использоваться специальная вентиляционная сис-

тема, создающая внутри дома давление выше или ниже внешнего. При из-

мерении воздушных потоков утечки могут быть обнаружены с помощью

источника дыма.

Требуемый санитарными нормами обмен воздуха может быть эф-

фективно реализован механической системой вентиляции.

Пассивное использование солнечной энергии

Окна – наиболее важный элемент в использовании солнечной энер-

гии для обогрева. С одной стороны, окна работают как солнечные коллек-

торы без дополнительных затрат, но, с другой стороны, тепловые потери

через окна значительно больше, чем через стену, имеющую хорошую теп-

лоизоляцию.

На рис. 10.8 показан баланс энергии фасада здания, обращенного на

юг. Рисунок иллюстрирует зависимость тепловых потерь от доли окон в

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

267

площади фасада при различном качестве изоляции окон и стен. Лучший

путь к сохранению энергии состоит в снижении k-фактора стен. Дом с низ-

ким потреблением энергии – это дом с хорошей теплоизоляцией.

Рис. 10.8. Баланс энергии фасада здания, расположенного

на южной стороне

Улучшение тепловой изоляции приводит к большей экономии энер-

гии, чем увеличение площади окон, воспринимающих солнечную радиа-

цию. С ростом поверхности окон возрастает также опасность перегрева

вследствие солнечной радиации в летнее время. Подчеркнем еще раз, что

лучший способ снизить потребление энергии заключается в применении

хорошей тепловой изоляции стен. Сбережению энергии способствуют

также хорошие конструкции окон.

Теплоемкость здания

В здании с большой теплоемкостью возможно успешное пассивное

использование солнечной энергии. Особенно важно, чтобы внутренние

стены были изготовлены из материала с большой теплоемкостью. Такие

конструкции помогают также сохранять низкую температуру в летнее вре-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

268

мя.

Однако не следует переоценивать значение теплоемкости здания в

решении проблемы энергосбережения. Даже конструкции с большой теп-

лоемкостью способны только в течение двух дней предотвращать сильное

охлаждение помещения. Они неэффективны в течение более длительных

периодов плохих погодных условий.

Прозрачные теплоизоляционные системы

В настоящее время применяется полупрозрачный теплоизоляцион-

ный материал, в толще которого имеется множество небольших воздуш-

ных камер. Попадающие на стену здания солнечные лучи нагревают ее,

при этом сокращаются тепловые потери. Но эти материалы еще проходят

испытания. Пока не ясно, будет ли применение прозрачного теплоизоля-

ционного материала лучшим решением по сравнению с другими методами

энергосбережения. В летнее время оно потребует автоматически работаю-

щей системы экранирования.

Примеры стеновых конструкций

На рис. 10.9 и рис. 10.10 представлены удачные конструкции двух

типов стен.

На рис. 10.9 показана конструкция стены с толщиной внешнего теп-

лоизоляционного слоя не менее 10 см. Внешняя теплоизоляция позволяет

избежать появления тепловых мостов.

На рис. 10.10 представлена другая конструкция теплоизоляции,

включающей воздушный промежуток толщиной не менее 4 см и располо-

женной между наружным слоем отделки и кирпичной кладкой. Материал

внешней отделки может быть различным, типа древесины или пластмассы,

в зависимости от желаемого внешнего вида.

На обоих рисунках показано распределение температуры по толщине

стены.

Нормативы по использованию тепловой изоляции