Энергосовет - энергосбережение и энергоэффективность

НП "Энергоэффективный город" представляет портал "Энергосовет" - всё об энергосбережении в интернете

Эта статья опубликована в журнале Энергосовет № 4 (23) за 2012 г

Скачать номер в формате pdf (7583 kБ)

Снижение нагрузок на системы теплоснабжения зданий при использовании энергосберегающих окон с теплоотражающими экранами



Рубрика: Теплоснабжение
Автор: В.М. Захаров, Н.Н. Смирнов, Д.А. Лапатеев

К.т.н. В.М. Захаров, профессор; Н.Н. Смирнов, старший преподаватель; Д.А. Лапатеев, инженер,
кафедра «Промышленная теплоэнергетика», Ивановский государственный энергетический университет, г. Иваново

 

В статье приведены результаты последних исследований по повышению термического сопротивления оконных блоков на основе применения теплоотражающих металлических экранов.

 

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 доли 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].

 

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.

 

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. Теплоотражающие экраны задерживают электромагнитное излучение преимущественно в инфракрасной области.

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.

Было исследовано несколько конструкций энергосберегающих оконных блоков с применением теплоотражающих экранов [1]. Отправной точкой исследования послужила конструкция блока, предложенная сотрудниками ИГЭУ еще в 2000 г. [2]. 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.

 

Рис. 1. Конструкция оконного блока с теплоотражающим непрозрачным металлическим сплошным экраном

 

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

Исследования проводились в лаборатории АНО «Ивановостройиспытания» в сертифицированной климатической камере [1].

В качестве базовой конструкции (контроль 1) использовался оконный блок (размеры 1000´1000´140 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.

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

Город

Месяц

Ноябрь

Январь

Март

Краснодар

39,7

36,4

49,9

Москва

34

32

49

Иваново

33,3

30,7

49,1

Санкт-Петербург

30,9

25,8

49,5

Мурманск

23

6

52


Табл. 2. Значения приведенного термического сопротивления
в зависимости от вида конструкции оконного блока [2, 3, 4]*

Табл. 2. Значения приведенного термического сопротивления в зависимости от вида конструкции оконного блока

*рассчитано для условий отопительного периода Ивановской области

 


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.

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

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.

Рис. 4. Зависимость приведенного термического сопротивления окна от угла наклона к горизонту

Рис. 3. Изменение температуры на внутренней поверхности остекления средней зоны окна по высоте светопрозрачной части в зависимости от конструкции оконного блока:
1 – без экрана (контроль 2); 2 – экран установлен снаружи (контроль 2); 3 – экран установлен между ОСП
и стеклом (контроль 2); 4 – то же плюс экран снаружи (контроль 2).
Примечание: Температура воздуха в «теплом» отделении камеры tвн=20 °C, в холодном tн=–20 °C.

 

Рис. 4. Зависимость приведенного термического сопротивления окна от угла наклона к горизонту

Рис. 4. Зависимость приведенного термического сопротивления окна от угла наклона к горизонту поворотных элементов жалюзи:
1 – оконный блок без жалюзи (контроль 2);
2 – оконный блок с жалюзи.

 

 

Рис. 5. Испытание влияния установки жалюзи на сопротивление окна: жалюзи очищенные (слева) и эмалированные (справа

Относительно установки металлического жалюзи следует отметить тот факт, что максимальное приведенное термическое сопротивление R0пр=0,813 м2×°C/Вт было получено при a=90°, 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.

В рамках работы также было решено исследовать энергетическую эффективность жалюзи, представленных на современном рынке данного вида продукции. В предприятии розничной торговли были закуплены эмалированные жалюзи. С одного из опытных образцов химическим и механическим путями было удалено лакокрасочное покрытие (рис. 5).

В ходе испытания эмалированного образца, проводившегося при α=+900 (угол поворота жалюзи в закрытом состоянии), мы получили увеличение сопротивления теплопередаче окна лишь на 12 %, при установке их с внутренней стороны окна, а при испытании очищенных жалюзи, установленных также с внутренней стороны окна - 37%. Данный факт объясняется высокой степенью черноты краски, значение  которой лежит в пределах 0,91÷0,93, что в несколько раз превышает степень черноты алюминия, изменяющейся в пределах от 0,04 (полированный металл) до 0,2 (окисленный металл). Следовательно, в жалюзи с эмалированными ламелями, предлагаемыми отечественным и импортным производителем, за счет нанесения лакокрасочного покрытия значительно занижен энергосберегающий потенциал данной теплоотражающей конструкции.

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 a=0° 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).


Табл. 3. Результаты исследований эмалированных и очищенных алюминиевых жалюзи.

Вид конструкции

Плотность
теплового потока
q,Вт/м2

Приведенное термическое сопротивление,
R м2·0С/Вт

Увеличение приведенного термического
сопротивления, %

Контрольный вариант(Стеклопакет
4М1-10-4М1-10-4М1)

74,3

0,49

 

Эмалированные жалюзи

66,8

0,55

12%

Очищенные жалюзи

54,7

0,67

37%

 

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. Захаров В.М., Смирнов Н.Н., Калинина Л.Б. Энергосберегающие конструкции окон на основе применения теплоотражающих экранов. // Светопрозрачные конструкции, 2008, №5-6, С. 42-45.

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

3. Захаров В.М., Смирнов Н.Н. Оконный блок. Патент на полезную модель №84042 от 17.12.2008 г., Москва.

4. Захаров В.М., Смирнов Н.Н. Оконный блок. Патент на полезную модель №95725 от 24.02.2010 г., Москва.

 

Все статьи рубрики Теплоснабжение

Статьи по темам

Архив номеров

Выпуски за 2009 год: №1 (1), №2 (2), №3 (3), №4 (4), №5 (5),

Выпуски за 2010 год: №1 (6), №2 (7), №3 (8), №4 (9), №5 (10), №6 (11), №7 (12), №8 (13),

Выпуски за 2011 год: №1 (14), №2 (15), №3 (16), №4 (17), №5 (18), №6 (19),

Выпуски за 2012 год: №1 (20), №2 (21), №3 (22), №4 (23) , №5 (24), №6 (25),

Выпуски за 2013 год: №1 (26), №2 (27), №3 (28), №4 (29), №5 (30), №6 (31),

Выпуски за 2014 год: №1 (32), №2 (33), №3 (34), №4 (35), №5 (36), №6 (37),

Выпуски за 2015 год: №1 (38), №2 (39), №3 (40), №4 (41), №5 (42),

Выпуски за 2016 год: №1 (43), №2 (44), №3 (45), №4 (46),

Выпуски за 2017 год: №1 (47), №2 (48), №3 (49), №4 (50),

Выпуски за 2018 год: №1 (51), №2 (52), №3 (53), №4 (54).


Rambler's Top100

Авторские права на размещенные материалы принадлежат авторам
Тел.(495) 360-76-40 E-mail:
© Портал ЭнергоСовет.ru - энергосбережение, энергоэффективность, энергосберегающие технологии 2006-2019
Возрастная категория Интернет-сайта 18 +
реклама | карта сайта | о проекте | контакты | правила использования статей