Энергия

ЗДАНИЕ КАК ТЕПЛОВАЯ ЛОВУШКА

В разделе «Здание как солнечный коллектор» рассматрива­лись методы регулирования естественного поступления в здание и использования тепловой энергии солнечного излучения без

помощи промышленного солнечного коллектора, устанавливае­мого на здание как элемента «оборудования». В следующем разделе «Здание как аккумулятор солнечной энергии» предпо­лагалось, что солнечные лучи имеют возможность проникать в здание, в котором солнечная энергия аккумулируется в виде тепла для дальнейшего использования. Если здание проектиру­ется с учетом аккумулирования солнечного тепла с целью его дальнейшего использования, то в конструкции здания должны быть предусмотрены меры по предотвращению или, по крайней мере, снижению утечки тепла.

Утечки тепла нз здания в холодную погоду обычно называ­ются тепловыми потерями. И наоборот, летом, когда снаружи жарче, чем внутри, здание поглощает тепло Этот процесс назы­вается притоком тепла (это тепло добавляется к солнечному теплу, условия поступления которого рассматривались выше). Фактически попытки уменьшить (или, по крайней мере, кон­тролировать) уровень перетока тепла в здание или из него и преследуют цель экономии энергии в строительном проектиро­вании Обычно основное внимание при этом уделяется снижению тепловых потерь зимой, но рассматривается также возможность уменьшения притока тепла летом. В большинстве случаев уси­лия, направленные на уменьшение потерь тепла, также способ­ствуют снижению притока тепла.

Помимо использования солнечной энергии для экономии других видов энергии существуют множество проектных реше­ний, которые способствуют экономии энергии в зданиях. Рас­смотрение и использование этих вариантов во многом имеет большее значение, чем мероприятия по использованию солнеч­ной энергии в качестве решения проблемы энергетического де­фицита В США потребляется гораздо больше энергии, чем это необходимо. Поэтому прежде, чем обратиться к другим источ­никам энергии, следует сначала снизить уровень потребляемой энергии. В США почти нет зданий, которые были бы спроекти­рованы в теплоизоляционном отношении с учетом возможного изменения энергетической ситуации через десять или даже пять лет На отопление жилых и промышленных зданий в США еже­годно расходуется более 13ХІ05 кДж (или примерно 2 млрд, баррелей нефти), что составляет 18% общенационального расхода.

К счастью, варианты экономии энергии в зданиях столь мно­гочисленны, что простое перечисление их потребовало бы целого тома. Однако в процессе принятия решения всегда предстоит сделать компромисс между разными типами зданий, разными климатическими условиями, разными человеческими потребно­стями и разными приоритетами. Многие решения по экономии энергии непосредственно не связаны с мерами по удержанию тепла внутри зданий, хотя они могут оказывать па это побочное влияние. Примерами таких вариантов служат рациональный выбор типов и размеров отопительного, вентиляционного обору­дования или оборудования для кондиционирования воздуха, включая совершенствование методов его эксплуатации для сни­жения потребления энергии и методов контроля режимов рабо­ты; проблема использования естественного освещения в качест­ве замены искусственного (электрического) освещения путем взвешивания компромиссов между применением проемов в зда­ниях (например, окон) для освещения, что потенциально увели­чивает теплопотери зимой и приток тепла летом, и использова­нием энергии в виде электричества для освещения; проблема увеличения и уменьшения влажности; проблема выбора вспомо­гательного оборудования и ею эксплуатация; проблема внут­ренней и поэтажной планировки н проблема движения влаги через степы, крыши, полы и окна.

Ниже будут кратко рассмотрены основные способы сохране­ния тепла в здании. В этой связи должны рассматриваться: изо­ляция, типы окон и дверей, форма зданий, ставни на окнах, уменьшение инфильтрации воздуха, защита от ветра и регене­рация тепла. Между мероприятиями по экономии энергии в строительном проектировании и использованием солнечной энергии для отопления и охлаждения существует прямая связь. При уменьшении нагрузки на теплоснабжение уменьшается и полезный размер здания, а также необходимый размер солнеч­ной отопительной установки независимо от того, используются ли приток солнечного тепла через окна и тепловая масса здания или солнечная установка представляет собой только пристрой­ку к зданиям с насосами, вентиляторами, теплообменниками и теплоаккумулятором. Благодаря меньшей мощности солнечной установки снижается не только первоначальная стоимость зда­ния, но уменьшаются также энергетические затраты в целом, поскольку потребность в отоплении и охлаждении становится меньше.

Кроме уменьшения мощности системы солнечного отопления, можно уменьшить и другие составляющие баланса экономии энергии. При снижении отопительной нагрузки или нагрузки на кондиционирование можно уменьшить объем вспомогательного оборудования, дублирующего солнечную установку. Уменьше­ние мощности этого оборудования означает соответствующее уменьшение размеров (и стоимости) отопительных труб, элек­тропроводки для оборудования и размеров газоходов Длина каналов и труб также может быть меньше, поскольку они не­обязательно должны охватывать весь периметр здания, чтобы поддерживать комфортные условия в течение отопительного се­зона.

Более компактное здание, в котором расходуется меньше знеріии на отопление, обеспечивает более комфортную среду обитания. Изоляция уменьшает влияние холодных стен Зимой внутренняя поверхность неизолированных стен на 5—8° С хо­лоднее, чем поверхность изолированных стен. Изоляция повы­шает температуру внутренних поверхностей стен, и люди чувст­вуют себя более комфортно. Тело человека, находящегося в ок­ружении холодных стен, пола или потолка, теряет тепло слиш­ком быстро, и человек испытывает чувство холода и диском­форта. Летом условия меняются, и излишне нагретые поверхно­сти стен затрудняют поддержание необходимой для человека прохлады

Если температура внутренних поверхностей здания создает в помещении дискомфорт, то люди включают термостат почти на полную мощность зимой, чтобы увеличить приток тепла, а летом ставят его на слабый режим, чтобы обеспечить про­хладу Это приводит к повышенному расходу энергии

В более компактных зданиях обеспечивается более равно­мерное распределение температуры воздуха в помещениях и между полом и потолком. Воздух, омывающий холодные стены, охлаждается, его плотность увеличивается и он опускается к по­лу. Происходит замещение теплого воздуха, который подни­мается. Это постоянное движение воздуха (тяга) создает диском­форт. Инфильтрация наружного воздуха через щели в огражда­ющих конструкциях здания также вызывает сквозняки, поэтому уменьшение инфильтрации повышает комфортность.

Дополнительная изоляция, призванная уменьшить потреб­ление энергии, способствует, кроме того, созданию акустическо­го барьера между зданием и внешней средой Лучше изоляции в этом отношении являются вторые оконные рамы и двери или двойное остекление

Существует много полезных альтернатив для уменьшения потребления энергии, использование которых не всегда оказы­вает существенное влияние на проект здания. Один известный инженер-механик, являющийся сторонником экономии энергии в зданиях, приводит в качестве примера строительство двух одинаковых школьных зданий с одинаковым инженерным обо­рудованием. Школы были построены в сходных климатических условиях на расстоянии нескольких километров друг от друга. Однако в одной школе расход энергии на освещение, отопление, охлаждение п вентиляцию почти вдвое превышал показатель для другой школы. Главная причина такой большой разницы связана только с качеством эксплуатации зданий и оборудо­вания.

Одним из основных способов, с помощью которого можно уменьшить потребление энергии, состоит в изменении нашего образа жизни (и методов эксплуатации зданий), в том числе поддержание в доме более низких температур.

Шторы должны быть открыты в течение дня, чтобы пропус­кать солнечный свет в здание (разумеется, это не относится к окнам, обращенным на север); ночью шторы должны быть закрыты Намного эффективнее штор внутренние изолирующие ставни, обеспечивающие плотное закрывание окон и, по сути дела, трансформирующие их в стену Этот важный фактор об­суждается ниже.

При открывании окон и дверей необходимо принять все ме­ры, чтобы уменьшить количество холодного наружного воздуха, поступающего через проемы в зданиях. Уплотнение дверей, окон и других проемов может быть наилучшим методом эконо­мии энергии. Во многих районах страны вторые оконные рамы окупают себя за несколько лет за счет экономии энергии.

Для того чтобы оценить методы сохранения тепла внутри зданий, нужно иметь представление о величинах, в которых из­меряется количество теплоты (калория или джоуль), и градусо­днях и применять эти величины так же свободно, как мы сейчас пользуемся терминами «лошадиная сила» или «количество лит­ров на 100 километров» Определение «калория или джоуль» часто повторяется в этой книге: «калория (кал) — это количест­во теплоты, которое необходимо затратить для нагревания 1 г воды на 1 град. Таким образом, для повышения температуры 100 г воды на 1 град потребуется 100 кал (или 41,9 Дж). То же количество джоулей потребуется для повышения температуры 1 г воды на 100 град».

Понятие «градусо-день» несколько более сложное. В некото­ром смысле оно сходно с измерением трудозатрат в человеко­днях. Работу, которую 1 человек выполняет за 1 день, можно определить в количестве 1 чел.-дня. Аналогичным образом, если температура наружного воздуха на 1 град ниже температуры воздуха в здании в течение 1 дня, то отопительная нагрузка на здание может быть оценена в 1 град-день. Обычно на прак­тике в качестве базисной используется внутренняя температура 19° С, от которой отсчитывается величина 1 град-дня, поскольку большинство зданий отопления не требует, если наружная тем­пература находится в пределах 14,6—19° С. Если наружная температура в течение 1 дня составляет 4° С, то получается 15 град-дпей (19° минус 4° С). Если наружная температура со­ставляет 14° в течение 3 днёй, то получается также 15 град-дней (19° минус 14° и разность, умноженная на 3 дня). Аналогично, если наружная температура равна 18° С в течение 15 дней, то в итоге имеем 15 град-дпей.

Пожалуй, столь же критическими для понимания потерь тепла являются понятия величин R и U. Величина R обознача­ет термическое сопротивление изоляции (при теплопередаче). Величина R является единицей измерения, показывающей вели­чину удельного сопротивления переносу тепла при прохождении через определенный материал. Чем выше величина R, тем луч­ше изоляционные свойства материала.

Термин «величина U» также связан с оценкой условий теп­лопередачи. В отличие от величин R, которые относятся к еди­ничным материалам, величины U относятся к сочетанию всех

используемых в конкретном случае материалов, например к СО* четанию материалов, из которых состоит стена. К примеру, величина U типичной стены будет представлять собой сумму изоляционных свойств наружной облицовки, обшивки, утепли­теля, внутреннего отделочного слоя, воздушных промежутков и воздушных пленок. Чем ниже величина U, тем лучше сопротив­ление стены переносу тепла.

Математически величина U обратно пропорциональна сумме величин R материалов, входящих в данное сочетание. Если стена состоит из материалов с величинами R порядка 0,12; 0,18; 2,64; 0,20 и 0,03 единицы, то суммарная величина R будет со­ставлять 3,17. При этом величина 0 обратна этой сумме, т. е равна 1/3,17 или 0,315.

Величиной U измеряется количество тепла па единицу по­верхности за 1 ч. При этом разность между температурами про­тивоположных поверхностей стены (или другой конструкции, сочетающей разные материалы) является в некотором смысле напором, под действием которого это тепло переносится через материал. Если наружная температура составляет —4° С, то перенос тепла из здания в этом случае осуществляется под дей­ствием большего напора, чем при наружной температуре + 15° С. Величина U измеряется в Вт на 1 м2 на град. Кельвина. Это обозначение [Вт/(м2-град)] и используется в тексте книги. В рассмотренном выше примере стена имеет величину U, рав­ную 0,315 Вт/(м2-град).

На вертикальных линейных диаграммах показаны некоторые типичные величины R и U (рис. 2.39 и 2.40). Более подробные сводные данные приведены в разделе «Изоляционные свойства строительных материалов».

Понятие расчетных температур обычно используется инже­нерами для определения мощности отопительного и охлаждаю­щего оборудования. Расчетная температура — это экстремаль­ная наружная температура, налагающая наибольшую нагрузку на инженерное оборудование. Поскольку эта температура при­меняется повсеместно, то тепловые характеристики зданий часто определяются количеством килоджоулей в час, которое должно произвести отопительное (или охлаждающее) оборудование или вывести из здания для поддержания требуемого уровня комфорта, когда температуры наружного воздуха имеют экст­ремальные значения. Типичные значения тепловой мощности для жилых домов находятся в пределах 65—160 тыс. кДж/ч, хотя при принятии мер по экономии энергии эти значения мож­но уменьшить по крайней мере вдвое. Уровень расчетной темпе­ратуры зависит от климата района размещения и может ме­няться, например, от 40° С ниже нуля для некоторых холодных районов США (на Аляске температура может быть еще ниже) до 0° для некоторых теплых районов. Поэтому расчетная тем­пература не обеспечивает абсолютных тепловых характеристик

Рис. 2 39. Некото­рые типичные зна­чения Я, Вт/(м2Х Хград)

1 — листовая изоля­ция из полиуретана толщиной 50 мм; 2 — пористая вермикули - товая изоляция тол­щиной 150 мм, 3 — 50-мм полиуретано­вая изоляция. 4 — сіекловолокпистая изоляция толщиной 90 мм, 5 — 300-мм слой льда или сухо­го снега, 6 — 50 мм изоляция из поли­стирола; 7 — воздуш­ный промежуток в стене — отражающая металлическая фоль­га; 8 — клеи, дуб или аналогичная твердая древесина толщиной 75 мм; 9 — ель. сосна или ана­логичная мягкая дре­весина толщиной 50 мм, 10 — 250 мм слой твердого бето­на, 11 — обыкновен­ный кирпич. 200 мм;

12 — бетонный блок толщиной 200 мм;

13 — 20-мм воздуш­ный зазор в стене;

14 — 125—250 мм слой сухого песка или грунта. 15 — непод­вижный слой воз­духа со стороны по­мещения, 16 — не­подвижный слой на­ружного воздуха, 17 — 10-мм слой ка­менной облицовки

<§г

днеи для данного района.

С другой стороны, с помощью понятия градуео-дией тепло­вая характеристика оценивается в абсолютном виде путем срав­нения зданий между собой независимо от их местоположения. Здания теряют тепло примерно пропорционально разности меж­ду внутренней и наружной температурами. Таким образом, чем больше количество градусо-дпей, тем больше потери тепла. Поэтому здания можно классифицировать по количеству кило­джоулей, которое они теряют на 1 град-день. Типичные значе­ния этой величины для жилых домов находятся в пределах от 16 000 до 43 000 кДж/град-день. С помощью мер по экономии
энергии эти значения можно уменьшить минимум в два раза. Дополнительное преимущество использования понятия граду - со-дней заключается в том, что с его помощью можно доволь­но просто определить количество энергии, которое потребляет здание в течение года. Например, для жилого дома с тепловой характеристикой 21 100 кДж/град-день, находящегося в клима­тических условиях Ныо-Иорка (2800 град-день), общее количе­ство энергии, которое здание теряет через свои ограждающие конструкции, составляет величину, равную произведению 21 100 кДж/град-дсиь на 2800 град-день Это равно 59 млп. кДж/год, что эквивалентно сжиганию около 1000 галлонов неф­ти в год при КПД печи 70%, или расходу 30 000 кВт-ч при электрическом отоплении.

Не для всех зданий требуемое количество тепловой энергии следует определять исходя из уровня наружных температур. Например, большое административное здание может не отапли­ваться всю зиму благодаря теплу, которое выделяется людьми, освещением и оборудованием. Если эти источники энергопоступ­ления исключить из рассмотрения, то тепловые нагрузки такого здания можно оценивать по методу градусо-дней, так как это делается для малых зданий.

Тепловые потери типичных жилых домов и других зданий происходят по трем основным причинам:

1) вследствие теплопроводности через стены, крыши и полы, а также вследствие (но в гораздо меньшей степени) излучения и конвекции;

2) вследствие теплопроводности и в меньшей степени путем излучения и конвекции через окна и иное остекление;

3) путем конвекции и перетока воздуха через элементы на­ружного ограждения здания. Этот переток обычно происходит через открытые окна, двери и вентиляционные отверстия (при­нудительно или естественно) или путем инфильтрации, Т. е. проникновения воздуха через щели в ограждающих конструк­циях здания, например по периметру дверных и оконных рам.

В зависимости от того, имеет ли здание хорошую изоляцию или нет, много в нем окон или мало, наблюдается ли через него движение воздуха или нет, каждый из этих трех факторов со­ставляет 20—50% общих тепловых потерь здания.

Предположим, что потери тепла в здании имеют место в рав­ной мере по трем вышеуказанным факторам. Это графически иллюстрируется диаграммой в виде круга, разрезанного на три равные части (рис. 2.41). Если какую-либо одну из этих состав­ных частей уменьшить вдвое, то общие тепловые потери умень­шатся только на одну шестую часть (рис. 2.42). Это говорит о том, что все три фактора следует рассматривать в равной ме­ре, не выделяя тот или иной.

Основные источники тепловых потерь здания почти невоз­можно рассматривать независимо друг от друга. Например, в результате добавления вторых рам в окна потери вследствие теплопроводности сокращаются в два раза. При этом сущест­венно уменьшается и присос воздуха. Снижается также и на­грузка на кондиционирование.

На рис. 2 43 показано, что разные типы остекления и конст­рукций стен существенно различаются по количеству проходя­щего через них тепла. Приведенные на этой диаграмме величины представляют собой лишь потери вследствие теплопроводности, поэтому эти значения не являются абсолютными по своей точ­ности и носят относительный характер. Например, строитель­ным конструкциям, в которых широко используется стекло, свойственен более высокий уровень потерь из-за присоса возду­ха в отличие от конструкций из непрозрачных материалов, ис­пользуемых для возведения стен, крыш и полов.

При одних и тех же внутренних и наружных условиях оди­нарное остекление пропустит более 120 кДж, двойное остекле­ние — 65, тройное — 42, двойное остекление с внутренними изо­лирующими ставнями— 13 и стандартная стена — 7 кДж. Стены и покрытия с очень хорошей изоляцией пропустят 4 кДж. Другими словами, двойное остекление пропустит тепла вдвое меньше, чем одинарное, а стена с хорошей изоляцией — около одной тридцатой (около 4%) того количества тепла, которое проходит через одинарное остекление. Одинаковое количество тепла будет потеряно через хорошо изолированную стену дли­ной Эми высотой 2,5 м и через окно с одинарным остеклением шириной 0,6 м и высотой 1,2 м.

Применение изолирующих ставней для закрытия окон ночью значительно снижает теплопотери. Они могут эффективно сни­жать радиационные потери тепла и в зависимости от типа стро­ительных конструкций почти полностью исключать фильтрацию воздуха. В зависимости от теплового сопротивления изолирую­щих ставней потери тепла вследствие теплопроводности через окно со ставнями можно уменьшить до десяти раз по сражению с окном без ставней. На рис. 2.43 показано уменьшение тепло­потерь в пять раз — с 65 до 13 кДж.

В качестве простого примера экономии в результате приме­нения ставней сравним потери через окно вследствие теплопро­водности и для случаев отсутствия ставней. Если ставни откры­ты только в течение дневных часов, т. с от 40 до 65% времени отопительного сезона, то благодаря ставням теплопотери будут существенно снижены в течение остальной части отопительного сезона. Нагрузка в 2800 град-дней и одинарное остекление с ве­личиной U, равной 6,5 Вт/(м2-град), дают потерю тепла в 435,25 кВт на 1 м2 остекления за сезон. Если используются ставни, то суммарная величина U в этом случае составляет 0,68 Вт/(м2-град). Если ставни закрыты одну треть времени, то будет сэкономлено примерно 30% энергии. Если ставни закры­ты половину времени, то будет сэкономлено примерно

Рис 2 41 Примерная структура тепловых потерь в обычном жилом доме I

1 — через окна — 33'/з%. 2 — через сте­ны, крыши и полы — 33‘/з0/(ь 3 — из-за инфильтрации воздуха — 33‘/з%

Рис 2 43. Относительные уровни тепловых потерь для различных типов окон и стен

1 — одинарное остекление, 2 — двойное остекление, 3 — тройное остекление, 4 — двойное остекление с теплоизоли­рующими ставнями, 5 — стена со стан­дартной изоляцией; 6 — стена с уси­ленной изоляцией

60% энергии. В этом последнем случае около 900 000 кДж (или энергетический эквивалент примерно 1 галлона жидкого топли­ва при эффективности его использования 60%) будет эконо­миться каждый отопительный сезон на каждый квадратный метр окна.

Этот расчет не учитывает несколько факторов, которые спо­собствовали бы повышению экономии. Например, ночью, когда ставни закрыты, величина градусо-дней больше, чем днем. Ра­диационные потери тепла также наиболее значительны иочыо. В течение дневных часов, когда ставни открыты, потери тепла существенно уменьшаются, и часто компенсируются поступле­нием через окна солнечного тепла. Поэтому значение ставней для экономии энергии велико, и их применению следует уделить самое серьезное внимание.

Фирма «Зоумуоркс корпорейшн» нашла частичное решение, удовлетворяющее требованию переменной изоляции наружного ограждения здания. Система получила наименование «Би - дуолл». Она состоит из двух параллельных застекленных рам, расположенных с промежутком примерно 75 мм. При солнечной погоде тепло свободно проникает в здание. Когда солнца нет и когда желательно уменьшить потери тепла, в зазор между стек­лами при помощи вакуум-насоса выдуваются крошечные белые шарики (бусинки) полистирола, превращая стеклянную поверх­ность в хорошо изолированное полупрозрачное ограждение. Эта система подробнее рассматривается ниже.

Разрабатывается также стандартная технология устройства изоляции в качестве средства герметизации зданий. Наиболее полно изоляция в жилых зданиях описывается в «Руководстве, по устройству изоляции в жилых домах и квартирах», выпущен­ном Исследовательским фондом Национальной ассоциации строителей жилых домов, г. Роквилл, шт. Мэриленд. На рис. 2.45 и 2.46 даны примеры некоторых представляющих ин­терес деталей.

Тепловые потери за счет конвекции и перетока воздуха че­рез проемы наружной оболочки здания могут составлять значи­тельную часть общих потерь тепла. Эта составляющая потерь может быть особенно велика для таких зданий, как школы, больницы и зрительные залы, в которых требуются повышенные скорости вентиляции. Согласно нормам здравоохранения, в по­мещение должно поступать определенное количество чистого, обработанного наружного воздуха. Это количество зависит от типа и размера помещения и числа пользующихся им людей. Нормы, касающиеся вентиляции, в большинстве случаев уже устарели, и их пересмотр может дать существенную экономию, если будет обнаружено, что они завышены. Например, актуаль­ным требованием, будет пятикратная «смена воздуха» в 1 ч в классных помещениях, т. е. общий объем воздуха в комнате должен быть одновременно удален и заменен чистым наружным

воздухом пять раз в течение 1 ч. Зимой может Возникнуть необ - ■ ходимость в подогреве воздуха, а летом — в его охлаждении. По новым нормам Управления безопасности труда и охраны здоровья для многих химических опытов в ряде помещений шко­лы предусматривается установка вентиляторов, которые вытя­гивают воздух в таком большом количестве, что подача тепла, необходимого для восполнения потерь, намного превышает ко­личество тепла, которое требуется для восполнения потерь вследствие теплопроводности стен здания. Нормы вентиляции и вытяжки для каждого вида работ должны быть пересмотрены в свете нехватки энергетических ресурсов.

В ситуациях, когда между внешней средой н помещением про­изводится обмен воздуха в очень большом объеме, все большее внимание должны заслуживать теплорегенерирующие устрой-

Рис 2 47. Если требует­ся по периметру изоли­ровать плиты, укладыва­емые на грунт, то изоля ция устраивается, как показано на рисунке или на наружной по­верхности фундаментных стен [5]

1 — жесткая изоляция ства. Эти устройства передают тепло от отработанного воздуха к поступающему. Летом приточный воздух охлаждается отра­ботанным.

Небольшие вентиляторы, подобные применяемым в ванных комнатах и кухнях, являются причиной утечки меньшего, но все же существенного количества тепла. Следует отдавать предпоч­тение вентиляторным системам, которые фильтруют и циркули­руют воздух, а не выбрасывают его наружу. _

Другой причиной обмена между внутренним и наружным воздухом является открывание и закрывание окон и дверей. Что­бы уменьшить расход энергии на отопление и охлаждение, каж­дый дверной проем должен иметь две двери. При необходимости эти двери могут располагаться вплотную друг к другу Напри­мер, вторая дверь может быть навешена рядом дополнительно

К основной стандартной двери. Однако лучше отделять дверй друг от друга тамбуром с тем, чтобы при открывании наружной двери внутренняя дверь оставалась закрытой. Таким образом, создается, по сути дела, декомпрессионная камера. Вращающие­ся двери приемлемы в местах с интенсивным перемещением лю­дей, а в сочетании с тамбурами такие двери являются хорошим средством экономии энергии.

Ветер является важным фактором в ежеминутном изменении количества воздуха, проникающего в здание. В книге «Проек­тирование с учетом климата» Олгиэй сообщает, что при скорости ветра 30 км/ч тепловая нагрузка здания удваивается по сравне­нию с нагрузкой, рассчитанной при скорости ветра 8 км/ч. При более высоких скоростях ветра весьма эффективной защитой здания является растительная изгородь. Экономия топлива мо­жет достигать 30% при хорошей защите здания с трех сторон. В северном полушарии обычно северная и западная стороны здания открыты ветру. Поэтому здания должны ориентировать­ся так, чтобы не попадать под господствующие ветры, или долж­ны иметь защитные экраны (природные растительные или ис­кусственные) по избежание повышенной фильтрации воздуха по периметру дверей, окон и других проемов. Входы в здание не должны располагаться с северной и западной сторон. Если же они там расположены, то защита от ветра приобретает особо важное значение. Прохладные летние ветры часто приходят с запада, а зимние ветры — с северо-востока (рис. 2.52).

Влияние защиты от ветра на потери вследствие теплопровод­ности через ограждающие здание поверхности меняется в зави­симости от величины 1) этих поверхностей. Чем выше величи­ны U, тем меньше изоляционная способность и тем необходимее защитить здание от ветра. Поэтому окно с одинарным остекле­нием требует большей защиты от ветра, чем хорошо изолирован­ная стена (рис. 2.53). Интенсивность теплоотдачи при этом зави­сит главным образом от изменения толщины наружной воздуш­ной пленки, которая прилегает к внешней поверхности стекла. Эта воздушная пленка и аналогичный ей слой воздуха на по­верхности стекла, обращенной в помещение, в основном и обус­ловливают изолирующую способность одинарного остекления. Поскольку толщина воздушной пленки меняется в зависимости от изменения скорости воздуха, омывающего поверхность стек­ла, соответственно меняется и его эффективная изолирующая способность. Для окон это изменение весьма существенно. Од­нако для хорошо изолированных стен состояние наружного слоя воздуха оказывает на общую изолирующую способность стены слабое воздействие и ее влияние на тепловые потери составляет менее 1 % (рис. 2.54).

Весьма важным при рассмотрении влияния перетоков возду­ха в здании на расход энергии является учет проникновения воз­духа через трещины и щели в стенах, крышах и окнах. Созда-

1 — здание, 2 — господствующие летние ветры 3 — зеленые (лет­ние) насаждения, 4 — господствующие зимние ветры, 5 — вечнозе­леные насаждения, 6 — зимние штормовые ветры

Рис 2 53 Относительная важность защиты поверхностей от ветра Чем мень­ше потери тепла через поверхность, тем меньше необходимость в защите от ветра

1 — степень защиты поверхности, 2 — одинарное остекление, 3 — двойное остекление, 4 — тройное остекление, 5 — хорошо изолированные стены ние замкнутых воздушных промежутков в стенах здании и плот­ная подгонка окон и дверей могут существенно уменьшить влия­ние инфильтрации воздуха. Инфильтрация воздуха через щели в ограждающих поверхностях здания является наиболее важ­ным фактом, который следует учитывать при разработке ме­роприятий по защите от воздействия ветра. Определенное коли­чество наружного воздуха необходимо людям для вентиляции и ощущения свежести, и естественное проникновение воздуха че­рез щели иногда учитывается при расчете принудительной вен­тиляции в соответствии с указаниями законодательства о здра­воохранении. Тем не менее все меры должны быть приняты, что­бы уменьшить такую неконтролируемую инфильтрацию воздуха. По мере снижения доли влияния других факторов, обусловлива­ющих потери тепла, проникновение наружного воздуха занима­ет все больший процент в общей сумме факторов. Сведя к ми­нимуму инфильтрацию воздуха и взяв за правило открывать окно или включать вентиляцию, чтобы открыть в помещение до­ступ свежему воздуху только при крайней необходимости, можно сэкономить значительное количество энергии.

Одной из основных причин уменьшения инфильтрации возду­ха является прокладка строительного картона между фанерной обшивкой и наружной облицовкой жилых домов. Отделочные

Рис. 2 55. Относитель­ные потери при инфиль­трации воздуха за сезон для различных окон

1 — порядок увеличения по­терь; 2 — откидная оконная рама из стального прокат­ного профиля, 3 — раздвиж­ная деревянная рама, плохо подогнанная, без пащель - зых реек, 4 — раздвижная рама без нательных реек, 5 — раздвижная деревянная рама среднего размера без нательных реек плохо при­гнанная деревянная рама с нательными рейками, ме­таллическая раздвижная рама с нательными рейка­ми; створный оконный пе­реплет из стального прокат­ного профиля; 6 — деревян­ный створный переплет; 7 — неоткрывающееся окно

—...

детали на наружной поверхности здания также имеют значение для уменьшения проникновения воздуха. Швы, заполненные раствором, в кирпичной кладке и между блоками должны быть непроницаемыми и качественными.

Однако более важными, тем трещины в поверхности стен, являются щели или воздушные зазоры по периметру окон и две­рей, например между оконной рамой и косяком. Для новых зда­ний входы должны проектироваться так, чтобы контролировать движение воздуха; особенно важно уплотнение щелей и зазоров. Как видно из рис. 2.55, окна отличаются по уровням тепловых потерь вследствие инфильтрации воздуха. При этом самыми гер­метичными являются стационарные, неоткрывающиеся окна. Не каждое окно в здании должно открываться, хотя открываю­щихся окон должно быть достаточно, чтобы обеспечить естест­венную вентиляцию и необходимое ощущение близости к внеш­ней среде. В закрытом положении открывающиеся окна должны проверяться на плотность не только, когда они устанавливаются в первый раз, но и после того, как их много раз закрывали и открывали. Откидные и верхнеподвесные окна являются наи­менее герметичными, в то время как створные окна имеют са­мую плотную пригонку.

/ — одна рама, одинарное остекление (наибольшие потери тепла); 2 — одна рама, стек­лопакет, 3 — рама с одинарным остеклением и второй рамой, 4 — рама со стеклопакетом и второй рамой (наименьшие потери тепла)

Примечание Относительные единицы теплопроводности н инфильтрации воз­духа необязательно одни и те же, а поэтому не должны складываться с целью сравне­ния общих относительных величин

Для существующих окон, которые невозможно заменить, ка­чественное уплотнение щелей (желательно с помощью долговеч­ных металлических накладок) обеспечивает существенное умень­шение воздухопроницаемости. Вторая рама, добавленная к су­ществующему окну, не только в два раза снижает потери тепла вследствие теплопроводности по сравнению с окнами с одинар­ным остеклением, но и в два раза уменьшает инфильтрацию воздуха. Двойная оконная рама (стандартное открывающееся окно с одинарным остеклением в сочетании со второй рамой) эффективнее, чем одинарная рама со стеклопакетом (рис. 2.56). Стандартное открывающееся окно со стеклопакетом в сочета­нии со второй рамой (тройное остекление) является наилучшим средством экономии энергии.