Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановский государственный энергетический университет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

профессор, к.т.н. В.И. Субботин

профессор, к.т.н. В.М. Захаров

профессор, ст. преподаватель Н.Н. Смирнов

инженер Д.А. Лапатеев

Введение

Снижение энергопотребления зданий в условиях постоянного удорожания топлива является актуальной задачей для экономики нашей «северной» страны с достаточно холодным климатом, особенно, если учитывать наличие сильной конкуренции с иностранными производителями, имеющими сравнительно низкую энергоемкость продукции. Энергия в жилых, общественно-административных и производственных зданиях тратится на компенсацию трансмиссионных потерь через ограждающие конструкции, подогрев воздуха в системах механической вентиляции и на инфильтрацию, подогрев воды на ГВС, искусственное освещение, технологию и т.д. В этом случае доля затрат от общего энергопотребления на трансмиссионные теплопотери и инфильтрацию в среднем по стране составляет от 10 до 60% в зависимости от местоположения и типа зданий. Здание с минимальным потреблением тепловой энергии - это здание, в котором теплопотери через оболочку сведены к экономически обоснованному минимуму.

В настоящее время в целях снижения нагрузок на системы вентиляции, отопления и ГВС в общественно-административных и производственных зданиях применяют новые теплоизоляционные материалы, дежурный режим отопления, рекуперацию, установку автоматических термоклапанов у отопительных приборов, утилизацию теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем в системах механической вентиляции и т.п.

Существенное значение в доле тепловых трансмиссионных потерь зданий приходится на потери через оконные проемы (по разным оценкам, от 20 до 50% общего объема). Основной величиной, характеризующей этот показатель, является приведенная величина термического сопротивления всего оконного блока, хотя наибольшие потери приходятся на его светопрозрачную часть [1].

1. Недостатки современных энергосберегающих конструкций окон

Современные энергосберегающие конструкции окон имеют ряд существенных недостатков [1]. Так, применение окон с высокой степенью герметичности вызывает увеличение кратности воздухообмена, и задачи энергосбережения не решает, а лишь изменяет ее условия, перекладывая теплопотери через неплотности в окнах на теплопотери в системе вентиляции. Конструкции окон, ориентированные на снижение конвективной составляющей и теплопроводности (многослойное остекление, вакуумирование или заполнение стеклопакетов малотеплопроводными газами), значительно снижают уровень поступления в помещение солнечного света (в т.ч. полезных для здоровья человека УФ-лучей), а также имеют высокую стоимость и громоздкость. Окна, понижающие долю тепла, передаваемого излучением, за счет использования теплоотражающих покрытий, достаточно энергоэффективны, поскольку доля тепла, передаваемого излучением, может достигать 80%, и ее понижение заметно отразится на теплопотерях окна. Однако широкое применение теплоотражающих покрытий ограничено их высокой стоимостью, обусловленной сложной технологией нанесения покрытий и дороговизной материалов, а также снижением коэффициента светопропускания до 50%, вызывающим дополнительные затраты на искусственное освещение внутри помещений.

2. Предлагаемые технические решения

Для повышения коэффициента сопротивления теплопередаче светопрозрачной конструкции без увеличения затрат на искусственное освещение нами был предложен вариант применения в темное время суток теплоотражающих экранов, которые снижали бы тепловые потери от лучистого (и в меньшей степени от конвективного) теплообмена, не вызывая уменьшения значения светопроницаемости окна в светлое время суток. Исследования показали, что теплоотражающие экраны эффективно работают также и в инфракрасной области излучения.

Учитывая, что в течение отопительного периода в Центральном регионе РФ средняя продолжительность светового дня составляет около 8 ч, то остальные 16 часов оконные проемы могут быть закрыты теплоотражающими экранами. Для обоснования данного предложения в табл. 1 приведены значения среднемесячной длительности светового дня, отнесенного к длительности суток, в разных городах РФ для некоторых месяцев отопительного периода.

Таблица 1. Среднемесячная длительность светового дня в сутках в различных городах РФ (%)

Было исследовано несколько конструкций энергосберегающих оконных блоков с применением теплоотражающих экранов [2]. Отправной точкой исследования послужила конструкция блока, предложенная сотрудниками ИГЭУ еще в 2000 г. Для удобства обслуживания в данную конструкцию были внесены некоторые конструктивные изменения. На рис. 1 приведена конструкция оконного блока, который состоит из корпуса 1, с установленным в нем шкивом 2, который с помощью тросика 6 перемещает металлический экран 4, свернутый в рулон. Экран открывается (закрывается) по мере необходимости дистанционно от кнопки или в автоматическом режиме от системы управления микроклиматом. Сворачивание и разворачивание экранов осуществляется с помощью системы с электроприводом.

Для управления процессом теплообмена через окно и повышения его термического сопротивления также между слоями остекления устанавливались жалюзи с горизонтальными поворотными элементами, выполненными из алюминия (рис. 2).

энергопотребление окно теплопередача светопрозрачный

Проводились экспериментальные исследования зависимости термического сопротивления окна вышеуказанной конструкции от угла наклона к горизонту поворотных элементов жалюзи б.

Исследования проводились в лаборатории АНО «Ивановостройиспытания» в сертифицированной климатической камере [2].

В качестве базовой конструкции (контроль 1) использовался деревянный оконный блок (размеры 1000x1000x140 мм) с одним остеклением 4М1, а также с раздельными переплетами (контроль 2), состоящий из ОСП 4М1-10-4М1 и стекла 4М1 (площадь светопрозрачной части - 0,672 м2, площадь всего окна - 1 м2).

Выход системы на стационарный режим теплопередачи при изменении условий (поднятие- опускание экрана, изменение угла наклона поворотных элементов жалюзи и т.д.) достигался в течение 10-15 мин в зависимости от тепловой инертности конструкции.

Опыты (табл. 2) с использованием алюминиевой фольги толщиной 70 мкм в качестве экрана, установленного между стеклами окна, показали увеличение приведенного сопротивления теплопередаче на 26% по сравнению с базовым вариантом (контроль 2), в то же время увеличение термического сопротивления светопрозрачной зоны окна составило 48%. Применение такой непрозрачной конструкции целесообразно в темное время суток, которое является доминирующим в течение отопительного периода практически на всей территории России.

Следовательно, временным введением дополнительной конструкции в окно мы регулировали его термическое сопротивление.

* рассчитано для условий отопительного периода Ивановской области.

Следует отметить, что благодаря применению экранов повысилась температура на внутренней поверхности остекления оконного блока (рис. 3), что немаловажно, т.к. в нижней части остекления располагается наиболее опасная зона для выпадения конденсата, инея и образования наледей, особенно, при наличии высокой влажности внутри помещения.

Относительно установки металлического жалюзи следует отметить тот факт, что максимальное приведенное термическое сопротивление R0 пр = 0,813 м2 ^ОС/Вт было получено при а=90 ^О, когда жалюзи полностью перекрывали световой проем (рис. 4). При этом воздушная прослойка межстекольного пространства разделялась на две, снижая конвективную составляющую теплообмена. Образовавшийся теплоотражающий экран снизил лучистую составляющую, поскольку каждый поворотный элемент выполнен из алюминия с высокой теплоотражающей способностью.

Для принятия решения о применении сплошного металлического экрана или металлических жалюзи в качестве энергосберегающего мероприятия необходимо руководствоваться следующими соображениями: стоимость металлических жалюзи на порядок выше стоимости сплошного экрана ввиду более сложной конструкции, но жалюзи могут плавно регулировать процесс инсоляции и светопоступления, что немаловажно для создания микроклимата в помещении в летний период. Но даже при угле а=0 ^О жалюзи заметно снижают поступление дневного света в помещение. Исходя из вышесказанного, металлические жалюзи следует устанавливать в окнах имеющих южную, юго-восточную и юго-западную ориентацию, а сплошные металлические экраны - на северной, северо-восточной и северо-западной сторонах здания.

Существующие центральные (или индивидуальные) системы управления на основе солнечного датчика (фотоэлемента) или программируемого таймера автоматически смогут опускать защитные тепловые экраны в нужное время суток, обеспечив снижение тепловых потерь через окна. Данное обстоятельство весьма существенно, т.к. на существующих промышленных предприятиях площадь оконных проемов составляет от 20 до 70% от общей площади ограждающих конструкций.

Применение в темное или нерабочее время суток на промышленных предприятиях помимо дежурного режима отопления, увеличенной рекуперации в системах вентиляции еще и теплоотражающих металлических экранов, повышающих коэффициент сопротивления теплопередаче окон, приводит к уменьшению отопительной нагрузки, тем самым вызывая увеличение надежности работы системы теплоснабжения и уменьшения затрат на энергоресурсы по данной статье в диапазоне от 10 до 36% (как видно из данных таблицы 2) в зависимости от географической широты расположения объекта и климатических данных для региона (см. табл. 1).

В то же время, в отличие от конструкций с использованием теплоотражающих покрытий, нанесенных на стекло, окна с регулируемым сопротивлением на основе экранов не вызывают увеличения потребления электрической энергии на искусственное освещение, что особенно актуально для производственных цехов с высокими нормами освещенности рабочих мест.

В летнее время применение металлических жалюзи с солнечной стороны здания снизит поступление солнечной энергии в помещение, тем самым сократив затраты энергии в системах кондиционирования воздуха.

Литература

1. Банников А.В., Захаров В.М., Смирнов Н.Н. Применение окон с регулируемым сопротивлением теплопередаче для оптимизации режимов работы систем энергоснабжения зданий // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / ГОУВПО СПб ГТУ РП. - СПб., 2006. - С. 170-174.

2. Захаров В.М., Яблоков В.М., Ладаев Н.М. Оконный блок. Свидетельство на полезную модель № 16011 от 07.03.2000 г. Москва.

Размещено на Allbest.ru