Тепловий комфорт та енергозбереження

С. Рохманійко

Для відчуття теплового комфорту в приміщенні взимку недостатньо лише досягти показника середньої температури. Є чимало чинників, які впливають на тепловий комфорт, але окрім них важливим фактором є організація схеми опалення та вентиляції, яка має суттєві відмінності для звичайних, старих та енергомодернізованих приміщень із покращеною теплоізоляцією

Теплова модернізація (утеплення) будівель, які після проведення даних робіт відповідають вимогам до новобудов згідно з Положенням про енергозбереження під час будівництва та експлуатації приміщень (EnEV), значно зменшує загальне енергоспоживання, але додає певних викликів. В приміщенні виникають нові умови щодо надходження теплових потоків, розподілення теплого повітря по об’єму та умови для надходження свіжого повітря від системи вентиляції, змінюється схема видалення надлишків СО₂ тощо. Загальна картина та механізми досягнення теплового комфорту у старих та тепломодернізованих будівлях суттєво відрізняються. Хоча тепловий комфорт зазвичай покращується разом зі збільшенням теплоізоляції будівлі, це не означає, що в енергомодернізованих будинках досягнення найкращих умов для перебування людини в опалювальний період досягається без проблем. На деякі особливості варто звернути увагу.

Тепловий комфорт: головні чинники

Люди мають власну систему терморегуляції. За звичайних умов помірного фізичного навантаження кожна людина в приміщенні в середньому виділяє приблизно 100 Вт тепла. Більшість людей почувають себе комфортно в приміщенні з помірною температурою (приблизно 20-22°C), де підтримується оптимальний рівень вологості та існує певний рівень швидкості переміщення повітря, яке допомагає відводити надлишкове тепло від людини конвекцією, тепловим випромінюванням та охолодження випаровуванням рідини (спітнінням).

Кожна людина має певні індивідуальні особливості, тому тепловий комфорт є на загал статистичним показником. Стандарт EN ISO 7730 використовує для оцінки теплового комфорту значення PMV (Predicted Mean Vote – очікувана оцінка ступеню комфортності), що прийнятна для більшості людей, які перебувають в даному приміщенні. Також існує показник PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied, тобто очікуваний відсоток незадоволених комфортом). Обидва показники PMV чи PPD є індикаторами теплового комфорту для людини в приміщенні, на який впливають:

температура повітря;
швидкість кондиціонування повітря та наявність (відчуття) протягів;
кратність повітрообміну та рівень СО₂;
температура огороджувальних поверхонь та асиметрія теплового випромінювання;
розподіл температур (тепловий градієнт) по вертикалі (по висоті місцерозташування людини);
вологість повітря (умови випаровування вологи та охолодження самої людини спітнінням).

Відчуття теплового комфорту є інтегрованим та узагальненим показником, тому досягнення оптимального значення якогось одного показника (наприклад, температури) не означає, що в такому приміщенні дійсно досягнуто комфортного мікроклімату.

Щодо температури, то дані експериментів для визначення комфортного рівня температури, що «відчувається» в приміщеннях різного призначення (± 2°C):

гостьова кімната: 20-22°C;
спальня: 16-18°C;
ванна кімната: 24-26°C.

Приміщення вважається комфортним, якщо різниця між температурою поверхонь стін та температурою повітря в кімнаті менша за 4°C, температури різних поверхонь в кімнаті («асиметрія випромінювання») менша за 5°C та різниця температури повітря на рівні ніг й голови є меншою за 3°C.

Вплив теплової модернізації

Виконання капітальних ремонтних робіт зазвичай охоплює заміну елементів старих систем опалення або навіть принципову заміну старої системи на нову – наприклад, облаштування замість старої системи опалення з високотемпературними радіаторами нової системи з підлоговим опаленням чи комбінованого варіанту. Якщо ремонтні роботи супроводжуються тепловою модернізацією (утепленням) зовнішніх оболонок будівлі, то це точно призведе до суттєвого зменшення загального енергоспоживання та полегшить досягнення теплового комфорту (рис. 1).

Рис. 1. Вертикальна зміна температури повітря у тепломодернізованому будинку в зонах перебування людей для різних опалювальних систем

Але зменшення енергоспоживання чи заміна радіаторного опалення на підлогове саме по собі не гарантує появу теплового комфорту. В приміщенні перш за все змінюється вся теплова картина та викликаних цим потоків повітря, швидкість яких формує відчуття протягів. Відповідно до стандарту DIN EN ISO 7730 на ризик утворення протягів мають одночасний вплив фактори швидкості кондиціонування повітря, температури повітря та рівня турбулентності повітря. На рис. 2 показано приклад для лише одного з факторів теплового комфорту – появи протягів – в залежності від ступеня турбулентності при кондиціонуванні повітря.

Рис. 2. Припустима швидкість кондиціонування повітря в залежності від температури повітря та прийнятногоризику появи протягів згідно із EN ISO 7730

Ризик появи протягів (DR) обумовлюється системою опалення (наприклад, розміщенням поверхонь нагрівання – на зовнішній, боковій чи внутрішній стіні для радіаторів, на підлозі чи стінах для поверхневих систем опалення) та застосованою системою вентиляції (наприклад, місце підведення зовнішнього або вентильованого повітря – зверху чи біля підвіконня зі сторони зовнішньої стіни, від бокової чи задньої стіни, або зі стелі).

Можуть існувати відмінності в комфорті, наприклад, між системами витяжної вентиляції (холодне повітря ззовні втягується через пропускні отвори в приміщення) та системами комбінованої припливно-витяжної вентиляції (всотуване попередньо підігріте повітря потрапляє в приміщення через регульований повітряний клапан), що кардинально змінює всю картину розподілу та швидкості руху повітря у приміщенні. Ці чинники потребують оптимізації конструктивних рішень (системи опалення та системи вентиляції), а також узгодження всіх факторів впливу.

Оцінка та визначення методів досягнення теплового комфорту приміщення можлива лише за цілісного аналізу застосованої технології будівництва, параметрів та методів впровадженої теплової модернізації та установки вимірювальних систем та регулювальних приладів. Звичайно, завдяки збільшенню теплоізоляції покращується тепловий комфорт, але за рекомендованої кімнатної температури вирішальними критеріями теплового комфорту стають асиметрія випромінювання
та ризик появи протягів.

Майже герметична конструкція енергозаощаджуючих будинків (в тому числі внаслідок енергозберігаючих вікон) вимагає застосування систем контрольованої примусової вентиляції. На відміну старим будинкам, в яких доволі велика частка повітрообміну забезпечувалася шляхом припливу та видалення повітря через щілини у негерметичних вікнах та дверях, в енергозаощаджуючих будівлях (ЕЗБ) показники хімічного складу повітря досягаються іншими механізмами. І усунення ризику появи протягів відіграє для досягнення теплового комфорту важливу роль.

Асиметрія теплового випромінювання

Як відомо, тепло передається в приміщення за допомогою теплового випромінювання (теплової радіації), від конвекції (перемішування теплого повітря) та прямої теплопередачі.

Теплове випромінювання від поверхні нагрівальних пристроїв (радіаторів чи від теплих стін й підлоги) та від всіх інших поверхонь – через вікна та інші стіни – раніше відігравала значну роль, а її асиметрія є значним чинником у формуванні теплового комфорту.

Однак в нинішніх енергозберігаючих будинках через вищі температури внутрішніх поверхонь з боку зовнішніх стін асиметрія випромінювання (рис. 3) відіграє другорядне значення. Це стосується також приміщень з декількома зовнішніми стінами та кімнат із значною площею вікон.

Рис. 3. Прояв асиметрії випромінювання

Проте асиметрія існує як у старих будинках, так й у енергоефективних (див. рис 3), її треба враховувати та приймати заходи, щоб вона завдавала якнайменшого впливу на мікроклімат.

Щоб зменшити асиметрію потоків холодного повітря з вулиці, що проникають в приміщення в зоні зовнішньої стіни та від вікон, ці потоки повинні якнайшвидше підігріватися. До того ж це повинно відбуватися поза робочою зоною (тобто зоною, де найдовше знаходиться людина). Для цього радіатор рекомендовано розміщувати виключно під вікном, якщо це можливо, а поверхневі системи настінного опалення не потрібно встановлювати на зовнішній стіні.

Рекомендовано, щоб вентиляційні канали крізь зовнішні стіни, якщо це можливо, були поєднані чи проходили через поверхні для нагрівання. Вони повинні використовуватися для вільної перехресної вентиляції та для витяжної вентиляційної системи. У разі застосування припливно-витяжної вентиляції більш сприятливі умови усунення асиметрії забезпечуються завдяки струменевому дифузору або розташуванню отвору для припливу повітря в області зовнішньої стіни.

Ризик появи протягів

У енергоощадних будівлях (нових чи тепломодернізованих) ризик появи протягів (рис. 4) обмежується здебільшого тільки інтенсивністю спадного потоку кімнатного повітря, що обумовлений більш холодною поверхнею вікон. Проте сучасні енергозберігаючі вікна мають дуже високі показники спротиву теплопередачі, тому поява спадних потоків може бути викликана постановкою фурнітури в режим щілинного провітрювання або пошкодженням віконних ущільнювачів.

Рис. 4. Теплове поле та ризики появи протягів

Але існуючий ризик протягів суттєво знижується, якщо розміщувати радіатор разом з приладом регулювання кімнатної температури під вікном. Тоді в робочій області більше не виникає серйозних протягів чи в енергоощадному, чи навіть у старому будинку.

Формування теплового поля

Розташування поверхонь нагрівання суттєво впливає на формування теплового поля всередині приміщення, які в свою чергу змінюють всю картину повітряних потоків. Це стосується в більшій мірі енергозаощаджуючих будинків (ЕЗБ), зважаючи на те, що потужність опалювальних пристроїв в ЕЗБ є суттєво меншою, отже зменшується й частка тепла від випромінювання.

Загальноприйняте до цього часу розташування поверхонь нагрівання (радіатор під вікном та / або поверхневе підлогове опалення з найбільшою температурою біля вікна) в першу чергу було пов’язане з компенсацією небажаних умов випромінювання та нейтралізацією спадного потоку холодного повітря від вікна. Отже, в ЕЗБ нагальної потреби в цьому вже немає, оскільки на внутрішній стороні зовнішньої стіни або біля вікна спостерігаються значно вищі поверхневі температури.

Проте теплове поле, яке формують нагрівальні пристрої в ЕЗБ, суттєво впливає на загальний тепловий комфорт, також треба враховувати, як саме формується це теплове поле (див. рис. 5). Наприклад, розміщення високих меблів біля нагрівальної стіни (на певній відстані від неї) зменшить частку тепла, що потрапляє в приміщення від прямого випромінювання, але водночас це сформує умови для конвекційного руху теплого повітря вздовж стіни знизу вверх та направить велику кількість теплого повітря наверх, під стелю. Це, в свою чергу, змінить умови вентиляції, вплине на появу протягів та на швидкість повітряних потоків, тобто комплексно змінить умови досягнення теплового комфорту в приміщенні.

Рис. 5. Поверхневі температури та формування теплового поля в енергозберігаючому будинку (ЕЗБ)

У разі розміщення поверхонь нагрівання на бічних або внутрішніх стінах необхідно враховувати фактичну асиметрію випромінювання як поблизу вікна, так і в зоні поверхні нагрівання. Хоча в ЕЗБ загалом прямий вплив асиметрії на формування теплового комфорту випромінювання визнається незначним, що залежить від розташування поверхонь нагрівання, проте є ризик виникнення протягів, особливо при застосуванні вентиляційних отворів на зовнішній стіні.

Хоча в ЕЗБ використовують виключно енергозберігаючі вікна, площа засклення все одно відіграє значну роль у формуванні загального теплового поля в приміщенні. На рис. 6 показано два тепловізійні приклади – із «загальноприйнятою» площею вікна близько 30% та при суцільно заскленою зовнішньою стіною (100%). Безумовно, велика площа засклення, навіть якщо вікно має енергоощадні характеристики, що відповідають наявним стандартам енергозбереження, суттєво вплине на характер потоків повітря та умови вентиляції.

Рис. 6. Поверхневі температури залежно від площі засклення в енергозберігаючому будинку (ЕЗБ)

Проте за даними математичного моделювання у горизонтальній площині (0,6 м над підлогою) видно, що в енергозберігаючому будинку жодних критичних значень та температурного дискомфорту в межах робочої зони не спостерігається (див. рис. 7).

Рис. 7. Асиметрія випромінювання в ЕЗБ в залежності від площі засклення на висоті 0,6 м від поверхні підлоги

Це стосується також засклених стін (100% частка площі вікон) та інших зовнішніх стін. Порушення теплового комфорту через асиметрію випромінювання спостерігається в ЕЗБ біля вікна лише за використання радіатора на зовнішній стіні, чого немає за умов поверхневого підлогового опалення. Для якості теплового комфорту в залежності від частки площі вікон вирішальними є інші критерії комфорту, що стосуються повітрообміну та вентиляції.

Тепловий комфорт: вплив повітрообміну

На тепловий комфорт в приміщенні ЕЗБ має вирішальний вплив повітрообмін, а також схема вентиляції та опалення. Проте, зважаючи на достатню теплову ізольованість ЕЗБ, тип встановленої опалювальної системи для досягнення теплового комфорту має менше значення.

Системи опалення в ЕЗБ різняться між собою насамперед відмінністю ризику появи протягів, тобто характером теплової компенсації холодного повітря, що потрапляє в приміщення ззовні.

Зазвичай повітря потрапляє в приміщення ззовні через негерметичність фасаду будинку (наприклад, через нещільність у вікнах) або через вентиляційні отвори на зовнішній стіні. Окрім повітрообміну, що залежить від погодних умов, на тепловий комфорт у кімнаті дуже впливає розташування та режим роботи вентиляційних отворів на зовнішній стіні (див. рис. 8). Такий неконтрольований повітрообмін може викликати появу теплового дискомфорту як за радіаторного (дещо менше), так й за підлогового опалення (дещо більше).

Рис. 8. Температури повітря у вертикальній площині в центрі кімнати за різних варіантів повітрообміну

Для визначення прийнятного повітрообміну із зовнішнім середовищем слід враховувати, що тепловий комфорт є тільки одним з багатьох чинників, на які треба зважати. Якщо брати до уваги вимоги до якості повітря в приміщенні та вимоги будівельної фізики, то найбільш прийнятним значенням виявиться повітрообмін від 0,25 год^-1 (запобігання надмірної вологи та появі грибкової плісняви) до 0,5 год^-1 (підтримання належної якості повітря в кімнаті).

Через розміщення вентиляційного каналу крізь зовнішню стіну під вікном, окрім холодного потоку повітря через нещільності у вікні, холодне повітря потрапляє в приміщення також безпосередньо біля радіатора. Тобто повітря одразу інтенсивно підігрівається, в результаті чого виникає посилена циркуляція повітря, яка істотно відчувається.

Завдяки розміщенню радіатора під вікном приплив холодного повітря відчувається менше. А от для підлогового опалення в разі відсутності регульованого та посиленого надходження тепла у контурі біля зовнішньої стіни з вікном, формується зона з відчутним тепловим дискомфортом та ризиком появи холодних протягів (див рис. 9).

Рис. 9. Поверхневе підлогове опалення, теплове поле при повітрообміні n = 0,50 год^-1

Інша картина спостерігається, коли повітря підводиться до приміщення за допомогою припливно-витяжних вентиляційних систем.

Тепловий комфорт: вплив витяжної вентиляційної системи

Системи витяжної вентиляції з вентиляційними отворами у зовнішній стіні – дуже поширена схема. У системах витяжної вентиляції повітря з сильно забруднених зон, таких як кухні, ванні кімнати та туалети, висмоктується за допомогою вентилятора та скеровується назовні.

У енергозберігаючих будівлях (ЕЗБ) з високою герметичністю зовнішньої оболонки, включно з світлопрозорими конструкціями, вентиляційні отвори у зовнішній стіні, призначені для потрапляння повітря знадвору, перш за все мають встановлюватися у вітальні, спальні та дитячій кімнаті.

З точки зору теплового комфорту, необхідно зважати на ризик появи протягів через локальне проникнення потоків холодного повітря через вентиляційні отвори в зовнішній стіні. Інших критерії досягнення комфорту є зазвичай менш критичними, та вони є досяжними в більшості випадків.

Уникнення протягів значною мірою залежить від розташування вентиляційного отвору та принципу роботи у зовнішній стіні, а також від ступеня повітрообміну та меншою мірою від системи опалення приміщення. З погляду на ризик появи протягів розрізняють два конструктивних типи вентиляційних отворів у зовнішній стіні – простий та оптимізований.

Наприклад, адаптована до теплових умов швидкість потоку припливного повітря та відхилення потоку вуличного повітря, направленого всередину приміщення таким чином, щоб воно не утворювало сконцентрованого струменя, сприятиме досягненню теплового комфорту.

Ще одним способом розподілення потоку зовнішнього повітря, що направлений всередину будинку є так звана віконна вентиляція. Фурнітура забезпечує таке додаткове положення віконної ручки, при якому по контуру вікна між віконною рамою та стулкою вікна створюється щілина. Однак, повітрообмін, що відбувається за допомогою такої щілинної вентиляції, обмежується величиною приблизно 0,1 год^-1, що у 2,5-5 разів менше за рекомендовані санітарно-гігієнічні показники. Якщо використовувати виключно щілинну вентиляцію, існує небезпека утворення грибкової плісняви та підвищена концентрація СО₂ в повітрі приміщення, де постійно перебувають люди. З огляду на гарантоване забезпечення притоку свіжого повітря більш досконалою є система примусової припливно-витяжної вентиляції, типова схема якої наведена на рис. 10. Проте її не можна вважати досконалою з точки зору енергозбереження.

Рис. 10. Система витяжної вентиляції з вентиляційними отворами у зовнішній стіні

Зазвичай, припливний вентиляційний отвір встановлюється у зовнішній стіні. Розташовуватися він може в таких місцях: під, над або біля вікна; в поєднанні з нагрівальною поверхнею або в іншому місці на зовнішній стіні.

На досягнення теплового комфорту сприятливо впливають розташування таких отворів: під вікном; за радіатором; на межі зовнішньої стіни та підлогою (для поверхневого опалення). Для уникнення або зменшення ризику появи протягів потрібно безпечно облаштувати направлений потік повітря (наприклад, поворот потоку); добре змішування з кімнатним повітрям; покращене температурне регулювання (наприклад, зменшення припливного потоку за низької температури зовнішнього середовища) тощо. Ризик появи протягів зменшується зі скороченням відстані між поверхнею нагрівання та вентиляційним отвором в зовнішній стіні.

Іншим прикладом організації припливного повітря до приміщення є схема з організацією припливних отворів під вікном (див. рис. 11). Вона розрахована здебільшого на наявність радіаторного опалення. Припливне повітря проходить «лабіринтом», має незначну швидкість та дещо вирівнюється за температурою із повітрям всередині завдяки теплу від самої стіни. Проте цей спосіб також не відповідає вимогам щодо енергозбереження.

Рис. 11. Система припливу повітря через вентиляційну вставку у підвіконні

Слід визнати, що за використання внутрішніх вентиляційних отворів припливного повітря існує високий ризик появи протягів (див. рис. 12). Це обумовлено перетоком повітря по найкоротшому шляху між припливом та виходом повітря (наприклад, через двері). Застосування рекуперації повіря призводить до підвищення температури припливного повітря, що значно зменшує ризик появи протягів.

Рис. 12. Ризик появи протягів у ЕЗБ через вентиляційний отвір для припливного повітря (повітрообмін n = 0,5 год^-1)

Рекупераційні системи

Системи припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією повітря є не тільки вигідними з точки зору заощадження енергії, але й позитивно впливають на досягнення теплового комфорту (див рис. 13). На відміну від простих систем витяжного повітря, у приміщення надходить попередньо нагріте повітря, що зменшує ризик появи протягів. На досягнення теплового комфорту тут безпосередньо впливають розташування та принципи роботи вентиляційного отвору, тип опалювальної системи приміщенні. Ризик появи протягів підвищує збільшений повітрообмін та низька температура припливного повітря, що потрапляє у приміщення.

Рис. 13. Припливно-витяжна вентиляція з рекуперацією повітря

Як правило, вентиляційні отвори припливного повітря в системах з рекуперацією повітря розташовуються: на внутрішній стіні (часто над кімнатними дверима); на зовнішній стіні або на межі між зовнішньою стіною та підлогою, якщо це можливо.

Якщо температура припливного повітря навіть після рекуперації є низькою, все одно створюються суттєво сприятливіші умови для досягнення теплового комфорту. На рис. 14 показані випадки ризику появи протягів, побудовані за значення температури припливного повітря +11°C. Це значення обумовлено змодельованими зовнішніми температурами умовами морозної зими та рекуперацією повітря зі ступенем ефективності ~60% без застосування додаткового попереднього підігріву та стосуються повітрообміну для умовного приміщення з розмірами 4 x 5 x 2,5 м. Покращена рекуперація повітря (понад 80%, замість представлених на рис. 14 умов ефективності 60%) призводить до підвищення температури припливного повітря, що зменшує ризик появи протягів.

Рис. 14. Теплова картина та ризики появи протягів у приміщеннях з системами із рекуперацією повітря (повітрообмін n = 0,5 год^-1)

Проте аналіз теплового поля показує, що в випадку із застосуванням рекупераційної примусової вентиляції практично немає суттєвих дискомфортних зон там, де зазвичай знаходиться людина.

Загальний тепловий комфорт

Загальна оцінка теплового комфорту приміщення вимагає врахування комплексних та локальних критеріїв, однак є статистично суб’єктивною оцінкою. Вважається, що тепловий комфорт досягнуто, якщо дискомфорт відчувають не більше ніж 10% користувачів приміщення.

Для досягнення теплового комфорту мають враховуватися різні чинники (теплоізоляція, ступінь повітрообміну, частина поверхні вікон, розташування та наявність у приміщенні зовнішніх стін, затінення тощо), а також системні впливи (системи опалення – поверхневі чи радіаторні, або їхнє поєднання, тип вентиляційної системи, спосіб та інтенсивність потрапляння холодного повітря, інші будівельно-технічні впливи тощо), та мають застосовуватися різні засоби для забезпечення теплового комфорту.

Проте загальний висновок тут є однозначним – комфортний рівень мікроклімату легше досягнути саме в ЕЗБ – будівлі з енергозбережуючими властивостями (нової чи відремонтованої) – за допомогою меншого перепаду температур між огороджувальними конструкціями (включно зі світлопрозорими елементами) та внутрішнім середовищем. Однак критичним в даному разі стає чинник недостатньої вентиляції в герметизованій споруді, тобто нормованих санітарно-гігієнічних показників якості повітря (вологості, вмісту СО₂) неможливо досягти лише провітрюванням без додаткової примусової вентиляції. Природній приплив повітря в приміщення суперечить енергозбереженню. В той же час лише припливно-витяжні системи з рекуперацією енергії здатні одночасно забезпечити як нормовані показники витрат енергії, так і характеристики якості повітря з одночасним досягненням теплового комфорту у приміщенні.

Редакція AW-Therm вдячна за дані, що опубліковані за сприяння Німецького енергетичного агентства (DENA).

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!