Насоси «Грундфос»

Стена «Тромба»: отопление и вентиляция здания

С. Михненко

Выражение «устойчивый дизайн» (sustainable design) утвердилось в терминологии, в том числе по отношению к системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Часто это выражение используется для обозначения «хорошее инженерное решение», однако все обстоит намного глубже и серьезнее

Фактически, эффективный устойчивый дизайн требует совместной работы всей строительной команды – от проектировщика и архитектора, до строителя и подрядчика, охватывая девелопера, будущего владельца и контролирующие государственные учреждения.

Что такое устойчивый дизайн?

Устойчивое проектирование («устойчивый дизайн») в строительстве зданий – это использование методик, которые, в конечном итоге, приведут к постройке здания, которое на протяжении всего своего жизненного цикла окажется производителем «чистой энергии», продуктов питания, чистой воды и воздуха и будет способствовать здоровому образу жизни обитателей.

Хотя это сейчас не всегда возможно реализовать с обычным заказчиком, многие домовладельцы уже сейчас заинтересованы в постройке зданий, которые потребляли бы меньше энергии, предлагали бы более здоровую среду обитания, не увеличивая затраты на строительство. Это общая концепция устойчивого дизайна – здание, которое потребует меньше ресурсов в течение своего жизненного цикла, чем обычное, и более того – само способно произвести энергию, добыть и очистить воду, безопасно переработать и отвести стоки и выхлопы, то есть минимальным образом негативно повлиять на окружающую среду и обеспечить (заработать) средства для своего содержания, окупить постройку, эксплуатацию и ликвидацию.

Процесс создания здания с устойчивым дизайном очень непривычен и сложен, если использовать традиционные подходы и стандартные процессы для проектно-конструкторских групп, девелоперов и подрядчиков строительного проекта. Каждой группе обычно ставятся достижимые технико-экономические показатели и краткосрочные экономические цели, в т. ч. стоимость реализации. Их сочетание снижает способность членов команды из разных групп работать вместе, чтобы оптимизировать проект, поскольку каждая группа вносит решения, которые влияют на другие. Эффективное отдельное решение может оказаться неоптимальным для системы в целом.

Само здание – это целая комплексная система, и ее дизайн должен учитывать это. Например, наружные светопрозрачные конструкции и остекление влияют на визуальные аспекты здания, архитектурное решение, применимость элементов управления на уровне освещения, усиление/потерю тепла, озеленение, назначение помещений, маршрутизацию, оснащенность сантехникой и расположение мебели/помещения. Эти же элементы влияют на следующий уровень дизайна, который разрабатывают другие специалисты, и т. д. Последовательно выработанное итоговое решение (проект и стоимость его реализации) может оказаться не оптимальным для данной локации и не учитывать множество присутствующих местных факторов, хотя и иметь приемлемую для заказчика стоимость. Что касается экономики, то элементы устойчивого дизайна могут быть интегрированы в проект в рамках проекта с обычным бюджетом, но гораздо большее влияние на устойчивость может быть достигнуто с помощью долгосрочного подхода к оценке стоимости владения и эксплуатационных расходов, а также при подходе к составлению бюджета путем всестороннего рассмотрения проекта, а не его систем по отдельности. Это требует согласованности методик и широких знаний от всех участников процесса проектирования в отраслях. Например, инженеры-вентиляционщики должны хорошо знать решения по отоплению, возобновляемым источникам энергии, водоснабжению, строительной физике и применяемым материалам для оболочки здания и даже архитектурные приемы, и должны быть способны определять возможные устойчивые стратегии и приоритетные направления не хуже специалистов по другим инженерным системам и технологиям строительства.

Устойчивый климат-контроль

Устойчивое проектирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) имеет отношение и к внутренним условиям, и к общей энергоэффективности. Факторы внутренней среды тесно связаны с гигиеническими требованиями и с локальной оценкой внешней окружающей среды вместе с контролем индивидуальной среды обитания и мониторингом инженерной системы HVAC.

Хороший дизайн не означает «запас» на все случаи жизни и возможные погодные ситуации. Большинство механических/электрических устройств и систем работают лучше вблизи максимальной мощности. Фактор эффективности (КПД) следует учитывать еще на стадии проектирования. Компьютеризированные инструменты проектирования, создавая более точную динамическую тепловую модель здания, могут помочь в выборе надлежащего типоразмера оборудования. Например, при выборе такого оборудования, как чиллеры, лучше учесть производительность и эффективность интегрированной частичной нагрузки чиллера, которая смоделирована на основе профилей нагрузки именно для данного места, вместо использования рекомендаций по типичной эффективности при частичной загрузке.

Поиск наилучшей возможной системы HVAC следует производить при помощи компьютерных средств проектирования для схемного анализа, сопоставляющего производительность элементов HVAC вместе с расходами и результатом воздействия на окружающую среду. Многофакторный схемный анализ способен вырабатывать оптимальные решения еще на стадии разработки общего схемного решения и эскизного проектирования.

К современному зданию предъявляется множество требований, которые ранее игнорировались или не были среди приоритетных показателей. Свежий воздух, охлаждение и отопление играют важную роль в проектировании и управлении зданием. Системы HVAC разрабатываются с учетом требований комфорта, стоимости, эффективности и эстетической привлекательности. Устойчивость системы добавляет сложности в проектировании системы ОВК. Потребление энергии зданием должно быть снижено без ущерба для комфортности обитания, обеспечиваемой зданием, при этом устойчиво выделяя из окружающей среды достаточно возобновляемой энергии для функционирования инженерных систем в течение всего жизненного цикла здания.

Основным аспектом назначения энергетических целей должна стать система HVAC.

Наиболее эффективный способ снижения энергопотребления – повышение энергоэффективности. Например, потребности в охлаждении здания растут день ото дня, и такой сценарий из-за климатологических изменений нужно учесть еще при предварительном проектировании и экономическом анализе. И тогда, за счет обоснованного применения принципов естественной вентиляции для подачи воздуха, экономика всего здания может быть существенно улучшена.

Особенности проектирования систем HVAC

Вытесняющая вентиляция использует принцип подъема воздуха вверх после нагревания домашним оборудованием и людьми. Поднимающийся воздух затем удаляется наружу через выпускные патрубки, расположенные на некоторой высоте. Этот процесс имеет низкое энергопотребление и обеспечивает эффективную циркуляцию воздуха, что перспективно с точки зрения устойчивого дизайна, но для этого необходима подача извне предварительно кондиционированного воздуха.

Тепловые насосы: геотермальное тепло использует теплоту земли или водоема, чтобы улучшить работу обычного механизма теплового насоса, сужая диапазон температуры контура. Структура этого поля, выбор источника воды и общая стоимость очень сильно зависят от локальных характеристик участка. Для воздушных тепловых насосов все чаще используется воздух, предварительно подготовленный в пассивных устройствах.

Фотоэлектрические системы сегодня становятся наиболее экономичными решениями получения возобновляемой энергии. Начальную стоимость генерации можно снизить за счет продажи излишков энергии в общую сеть, особенно при подключении по «зеленому тарифу».

Солнечные тепловые коллекторные системы могут быть полезными для подготовки горячей воды как в промышленных, так и в домашних условиях. Жидкостные сушители и абсорбентные чиллеры могут использоваться для поглощения скрытой теплоты для подачи воздуха в здание.

Интегрированные в здание PV-системы (BIPV) из специальных кровельных и стеновых материалов могут быть в целом более выгодным решением, поскольку используются вместо обычных способов создания оболочки здания, что, в свою очередь, снижает общую стоимость проекта.

Устойчивым методом нагрева и охлаждения также является использование на больших поверхностях оболочки здания (стены и крыши) температуры теплообменников на водных солевых растворах с низкой температурой нагрева и с высокой температурой охлаждения. Понадобится меньше энергии для отопления и кондиционирования внутри дома, когда средняя температура, поддерживаемая рассолом (18-28°C), близка к комфортной температуре окружающего воздуха. Эти системы интегрированы в структуру здания, здания сохраняют гладкий фасад и гибкую внутренней архитектуру.

Большие поверхности оболочки здания могут использоваться в качестве отражателей и позволяют охлаждать и нагревать при температурах, близких к окружающей среде. Возобновляемые источники энергии можно легко комбинировать и использовать вместе. Можно объединить тепловые насосы «земля-вода» с лучистой системой, и это может снизить потребление энергии на 90%, поскольку потребуется только электричество для циркуляционных насосов. Температура грунтовых вод подходит для лучистой системы охлаждения. Эта система может также питаться от солнечной энергии.

Интегральные системы подогрева наружного воздуха (например, стена «Тромба») работают круглогодично. Это экономически выгодно, так как большая часть произведенного тепла может использоваться повторно, используя простые газовые системы, или догревающие теплообменники, что в итоге означает более низкую стоимость и лучшую производительность.

Лучистые системы отопления и охлаждения оснащены водопроводными трубами, заделанными в полы, стены или потолки. Они вполне эффективны, поскольку более 60% энергообмена происходит за счет излучения. Нагрев при низких температурах и охлаждение при высоких температурах делает здание энергоэффективным. Система пола и потолка может выделять (в режиме отопления) до 100 Вт/м2, а производительность охлаждения может достигать 60 Вт/м2. Охлаждение до 75 Вт/м2 может быть достигнуто с помощью подвесных комфортпанелей на потолках. Производительность источника энергии в изкотемпературной системе лучистого отопления по сравнению с обычными методами будет заметно больше. Это уменьшает потребление первичной энергии. Лучистая система отличается от обычной системы HVAC, поскольку она нагревает или охлаждает не воздух, а поверхность, которая затем сама становится источником излучения (поглощения) тепловой энергии. Такая система обеспечивает комфорт и экономит больше энергии в зависимости от местной среды. Эта система не применяется для контроля влажности, она лучше всего подходит для сухого и умеренного климата.

Об «устойчивом охлаждении»

Исследования показывают, что в будущем требования по охлаждению всего здания будут повышаться. Это вызвано климатическими изменениями и более экстремальными температурами летом практически повсеместно. Снизить затраты на охлаждение можно применением насосов типа «земля-вода» или «вода-вода», использующих стабильную температуру грунта или воды под землей. Вода может использоваться для охлаждения в виде охлаждающих панелей и балок. Термоактивные конструкции известны своей энергетической эффективностью и охлаждающим эффектом.

Трубы, размещенные в полах, стенах или потолках, стабилизируют температуру во всей массе здания. Этот способ лучше всего подходит для поддержания постоянного внутреннего теплового режима, при этом максимальная нагрузка нагрева/охлаждения в пиковых режимах потребления значительно уменьшается.

Лучистые системы охлаждения более выгодны из-за наличия внешних источников охлаждения, таких как грунтовые воды, озера, реки и т. д. В сочетании с обычным охлаждением, таким, как чиллеры на крыше, лучистая система способна сэкономить больше энергии, имея при этом низкие эксплуатационные расходы.

Использование солнечной энергии для производства горячей воды также является известной и проверенной формой достижения энергоэффективности. Абсорбционные чиллеры также достаточно эффективно сочетаются с солнечными тепловыми установками.

Стена «Тромба»

Наиболее перспективный метод для создания по-настоящему интегрированной устойчивой системы HVAC – использование в разных вариациях стены «Тромба» (Trombe wall). Стена «Тромба» – это стена жилого здания толщиной порядка 40 см, как правило, с южной стороны, с установленным перед ней остеклением, окрашенная темной краской. Стена «Тромба» помимо функций собственно стенового ограждения выполняет одновременно роль солнечного коллектора и теплового аккумулятора, см. рис. 1.

Изображение стена Тромба Рис. 1. Стена «Тромба» – стена с интегрированным солнечным коллектором и тепловой аккумулятор

Теплый воздух внутри жилого помещения можно заставить циркулировать за счёт естественных процессов в период инсоляции через отверстия в нижней и верхней частях стены; аккумулированное в стене тепло излучается в ночное время, см. рис. 2.

Если вверху и внизу стены выполнить вентиляционные отверстия, можно создать циркуляцию, чтобы теплый воздух перемещался из пространства между стеной и стеклом внутрь помещения. Это обеспечивает медленное и равномерное нагревание в течение дня и ночи, рис. 2. Циркулирующий в стене «Тромба» нагретый воздух может использоваться в других инженерных системах, например, на линии теплового насоса типа «воздух-вода».

Изображение нагрев воздуха в доме Рис. 2. Нагрев воздуха в помещении стеной «Тромба». Потоки воздуха можно использовать непосредственно или для систем принудительного обогрева и кондиционирования

Стена «Тромба» поглощает солнечное тепло и поддерживает комфортную для человека температуру. Она поглощает солнечное тепло и действует подобно парнику. Это эффективное пассивное устройство накапливает тепло и для обогрева здания ночью. Слой стекла (энергосберегающий стеклопакет, отражающий тепловую энергию внутрь) на расстоянии 2-15 см от каменной кладки играет роль ловушки тепла, а само тепло излучается в пространство через кладку стены толщиной 19-38 см. Помимо прямого нагрева стены от инсоляции, нагретый между стенкой и стеклом воздух нагревает стену так, что примерно 8-10 ночных часов кирпичная стена способна устойчиво излучать тепло внутрь дома.

Существуют и специальные конструкции стены «Тромба» (например, из минерального материала с древесной крошкой), теплоемкость и теплопроводность которой можно заранее задавать. Имеются разработки стен «Тромба» из специальных материалов с высокой теплоемкостью, способных аккумулировать тепло так, что стена поглощает тепло в течение полугода (летом) и остается способной к излучению тепла в следующие полгода (зимой) помимо компенсации ежедневных тепловых колебаний внутри дома «день-ночь».

При проектировании стены «Тромба» следует учитывать географической широту и локальные факторы инсоляции. Иногда выгодно использовать элементы солнцезащиты (навес) и препятствовать активному нагреву стены летом, и, наоборот, способствовать зимнему нагреву, см. рис. 3.

Изображение отопление и охлаждение здания Рис. 3. «Летний» и «зимний» режим работы стены «Тромба» за счет пассивной солнцезащиты

Стена «Тромба» действует как вентилируемая стена, обогревая пространство излучением и за счет конвекции. Чтобы усилить эффект аккумуляции тепла, «расширенная» стена «Тромба» может обеспечить нагрев массивного пола (фундаментной плиты) и накопление тепла в нем, см. рис. 4. Такой пол может быть оснащен пассивной системой труб, заполненных водой или рассолом, и благодаря естественной теплопередаче потоки передают тепло по всей плите быстрее и равномернее. Кроме того, солнцезащитные роллетные системы могут регулировать уровень инсоляции и теплопоступления, в том числе, в активном автоматическом режиме.

Изображение аккумулирование тепла в фундаменте здания Рис. 4. «Расширенная» стена «Тромба» для теплового аккумулирования в фундаментной плите с каналами теплообменников на водных соляных растворах

Стена «Тромба» с вертикальными вентканалами (рис. 5), может использоваться для усиления притока наружного воздуха. Пространство между стеной и стеклом нагревается, и воздух поднимается вверх, а затем удаляется наружу через вентиляционное отверстие вверху, и, в свою очередь, заставляет наружный воздух перемещаться и распределяться внутри комнаты. Этот способ организации потоков и управления ими помогает устранить перегрев стены «Тромба» в летний период и устойчиво поддерживать тепловой комфорт круглогодично.

Изображение принудительная вентиляция в здании Рис. 5. Принудительная вентиляция за счет стены «Тромба»

Повысить эффективность стены «Тромба» и сэкономить энергию для воздухоподготовки, например, для воздушного теплового насоса, помогают решения по размещению вентканалов в грунте, см. рис. 6. Подробнее об этом см. статью «Особенности кондиционирования в пассивных домах». Активное управление расходами воздушных потоков разной температуры, поступающих через различные каналы, позволяет эффективно достичь оптимальных результатов по энергосбережению для каждого времени суток и сезона.

Изображение повышение эффективности в доме Рис. 6. Перепуск воздуха через полость в стене «Тромба» с нормализацией температуры в грунтовом теплообменнике повышает общую энергоэффективность системы HVAC

Наилучшая стратегия – решение на основе многофакторного анализа

Здание можно сделать энергосберегающим, используя для отопления и охлаждения лучистую систему в комбинации с различными традиционными и возобновляемыми решениями для систем HVAC. Лучистые системы используют перепад температуры для нагрева и охлаждения поверхностей от природных источников, таких как озера, реки, воздух или грунт. Низкотемпературные системы HVAC снижают общее потребления энергии. Для создания устойчивой системы HVAC основная цель состоит в том, чтобы получить тепловой комфорт при использовании минимального количества энергии, но при надлежащем уровне кондиционирования воздуха. Температура нагрева/охлаждения может эффективно и стабильно поддерживаться за счет использования больших массивных теплоемких излучателей, действующих вплоть до компенсации сезонных колебаний. Воздух в основном охлаждается или нагревается больше, чем до требуемой температуры, но после смешивания с внутренним воздухом он достигает заданной температуры. Для достижения максимальной производительности лучистые системы и пассивные способы энергосбережения для вентиляции и тепловой подготовки воздуха должны работать вместе. Наилучшая стратегия устойчивого дизайна систем HVAC состоит в том, что следует обязательно локализовывать каждый проект и максимально использовать различные способы пассивного энергосбережения и получения энергии из окружающей среды совместно с активными методами.

Глубокая «пассивизация» всех инженерных систем до выбора активных систем HVAC для данного здания в огромной степени снижает общие расходы на строительство дома и на его активные инженерные системы, но особенно – снижает общие затраты на эксплуатацию здания в течение всего его жизненного цикла. С этой целью подходы и решения для HVAC должны быть включены в проект и рассматриваться еще на ранних стадиях, вплоть до этапа выработки архитектурного решения. Главная рекомендация и способ, который уверенно приведет к постройке здания с устойчивой системой HVAC (энергетически пассивного, пассивно-активного, активного или сверхактивного здания) – это последовательное энергетическое моделирование, начиная с самых ранних стадий вплоть до реализации проекта.

По материалам издания International Journal of Scientific and Research Publications

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 2 505


Оставьте комментарий

Telegram