ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Применение улучшенной тепловой изоляции

Введение

Рост объемов жилой площади, которая сегодня составляет, напри­мер, в Германии в среднем 36 м2 на человека, приводит к тому, что одна треть от общего энергопотребления используется для отопления помеще­ния (рис. 10.1). Приблизительно три четверти энергии, расходуемой в бы­ту, необходимы для отопления жилья (рис. 10.2).

Среднегодовое потребление энергии для отопления помещений со­ставляет от 160 до 260 кВт-ч/м для систем центрального отопления, рабо­тающих на природном топливе. На рис. 10.3 показано годовое потребление тепловой энергии в зданиях различных конструкций [11].

В настоящее время существует термин - дом с низким потреблением энергии. Потребление энергии в таком доме составляет только одну треть от среднего потребления энергии во всем жилищном фонде Германии.

Последние нормативы Федерального правительства по использова­нию тепловой изоляции направлены на сокращение ежегодного потребле­ния тепла в новых зданиях примерно на 30 % по сравнению с прежними нормативами 1982 г., а также на уменьшение тепловых потерь в сущест­вующих зданиях. Перед концом десятилетия намечается принятие еще бо­лее строгих норм. Тогда все здания должны будут строиться согласно стандарту низкого потребления энергии.

Опыт Германии по этой проблеме представляет наибольший интерес для условий России, так как именно в данной стране за последние 30 лет достигнуто значительное (в 2 - 3 раза) снижение расхода топлива на ото­пление, в том числе при целевой реконструкции жилья бывшей ГДР. Конструкции зданий с низким потреблением энергии Архитектор и заказчик должны уже сегодня использовать стандарты низкого потребления энергии при проектировании и строительстве новых зданий. Такие здания не должны отличаться от обычных внешним видом. Хорошая архитектура и высокий уровень жизни, возможность сохранения

Дополнительные затраты

Применение улучшенной тепловой изоляции ведет к увеличению за­трат при строительстве. В новых нормативах по использованию тепловой изоляции дается количественная оценка дополнительных затрат при строи­тельстве:

• больших зданий 1,5... 2,5 %;

• маленьких зданий 2,5...4 %.

В среднем строительство зданий с низким потреблением энергии приводит к росту затрат на 3...5 %. Использование систем вентиляции воз­духа также увеличивает затраты на 1,5...2,5 %.

Этот небольшой рост затрат может быть скомпенсирован отказом от использования дорогостоящих проектных решений в других частях здания.

помещений

Количественные и качественные изменения в энергопотреблении становятся очевидными при рассмотрении теплового баланса дома с низ­ким потреблением энергии:

• благодаря улучшенной теплоизоляции внешних ограждений здания тепловые потери путем теплопередачи уменьшаются до одной трети по сравнению с обычным домом;

• тепловые потери, связанные с вентиляцией, сокращаются до значе­ний, обеспечивающих санитарные нормы. Однако их доля в общих поте­рях увеличивается;

• тепловые потери вследствие вентиляции становятся настолько зна­чимыми, что может представить интерес система утилизации тепла;

• количество потребляемой солнечной энергии уменьшается, но ее доля в балансе энергии здания значительно возрастает;

• дом с низким потреблением энергии нагревается главным образом энергией солнца и внутренних источников. Система отопления должна по­крывать менее 50 % тепловых потерь;

• жители зданий с низким потреблением энергии оказывают большое влияние на тепловой баланс здания, поскольку потери, связанные с венти­ляцией помещений, составляют значительную часть общих тепловых по­терь.

Наиболее эффективной стратегией, ведущей к сокращению потреб­ления энергии для обогрева зданий, является оптимизация теплоизоляции.

Тепловые потери вследствие теплопередачи

Передача тепла через стены, окна и другие части здания в окружаю­щее пространство описывается так называемым ^-фактором, Вт/(м - К), оп­ределяемым как тепловой поток через один квадратный метр при разности температур в 1 К. Чем ниже ^-фактор, тем меньше тепловые потери. Для стен тепловые потери определяются теплопроводностью и теплоотдачей с поверхности.

помещений

Гиперболическая кривая (рис. 10.4) показывает зависимость тепло­передачи от толщины теплоизоляционного слоя. Увеличение толщины изоляции в два раза приводит к снижению тепловых потерь на 50 % (сплошная линия). В реальных зданиях должны быть приняты во внимание дополнительные условия: тепловые мосты, сокращение времени нагрева вследствие наличия внутренних источников тепла, солнечная радиация. Все это приводит к более высокому уровню тепловых потерь (пунктирная линия).

Рисунок 10.4 демонстрирует следующее:

- важность применения надежной теплоизоляции;

- необходимость ограничения толщины тепловой изоляции, по­скольку чрезмерное ее возрастание не приводит к существенному сниже­нию тепловых потерь;

- в среднеевропейском климате увеличение толщины теплоизоляци­онного слоя сверх 20 см не приводит к более высокому уровню сбереже­ния энергии. Не существует «дома с нулевым потреблением тепла», по­скольку тепловые потери не могут быть уменьшены до нулевого значения, даже с помощью суперизоляции.

В Германии диапазон рекомендуемой толщины теплоизоляционного слоя находится между 8 и 20 см. На рис. 10.5 и рис. 10.6 представлены ус­редненные значения толщины теплоизоляции для различных стран. Легко видеть влияние климатических условий.

Конструкции зданий

Значительное влияние на потребление энергии оказывает размер внешней поверхности здания. Компактная конструкция здания с малой по­верхностью при неизменном обогреваемом объеме снижает тепловые по­тери и, следовательно, затраты на обогрев. Это так называемое А/V - от­ношение площади поверхности к объему является важным фактором при проектировании зданий с низким потреблением энергии.

Рисунок 10.7 показывает важность этого соотношения.

Уход от тепловых мостов

Тепловые мосты вызывают рост локальных тепловых потерь, увели­чивая общие тепловые потери за счет теплопередачи. Улучшение тепловой изоляции снижает значение таких утечек в тепловом балансе здания.

Страна

Щвеция Финляндия Дания Норвегия Швейцария Франция Австрия Испания Голландия —► Германия Италия

Великобритания Бельгия Ирландия Турция

0 50 100 150 200 250

Толщина изоляционного слоя (мм)

Рис. 10.5. Используемые толщины теплоизоляции стен, данные 1990 г.

мещений

Рис. 10.6. Используемые толщины теплоизоляции крыши, данные 1990 г.

Окна

Тепловые потери через окна определяются значениями теплопро­водности, конвекции и излучения. Несколько лет назад окна были самыми слабыми местами в здании в отношении тепловых потерь. В настоящее время разработаны весьма совершенные конструкции окон. Конвекция между стеклами уменьшена благодаря использованию специальных газов, в частности аргона. Излучение существенно снижено вследствие использо­вания покрытия, нанесенного на стекло. В этих новых конструкциях ^-фактор может спадать до 0,6 Вт/(м - К).

помещений

Плотность внешнего покрытия здания

Внешнее покрытие здания должно быть достаточно плотным, по­скольку утечки воздуха в местах неплотных стыков нежелательны по мно­гим причинам:

• в зависимости от числа и размера этих стыков они ведут к боль­шим или меньшим неконтролируемым тепловым потерям;

• возможны повреждения конструкций из-за скапливания конденси­рующейся влаги;

• при низкой внешней температуре и сильном ветре возможно резкое возрастание тепловых потерь.

Для устройства современных систем вентиляции, отвечающих сани­тарным нормам, воздухонепроницаемость покрытия здания является наи­более важным условием. Ее достижение - задача как конструктора, так и строителя здания.

Для домов с низким потреблением энергии желательно испытание повышенным давлением для выявления возможных утечек воздуха. Для этого испытания может использоваться специальная вентиляционная сис­тема, создающая внутри дома давление выше или ниже внешнего. При из­мерении воздушных потоков утечки могут быть обнаружены с помощью источника дыма.

Требуемый санитарными нормами обмен воздуха может быть эф­фективно реализован механической системой вентиляции.

Пассивное использование солнечной энергии

Окна - наиболее важный элемент в использовании солнечной энер­гии для обогрева. С одной стороны, окна работают как солнечные коллек­торы без дополнительных затрат, но, с другой стороны, тепловые потери через окна значительно больше, чем через стену, имеющую хорошую теп­лоизоляцию.

На рис. 10.8 показан баланс энергии фасада здания, обращенного на юг. Рисунок иллюстрирует зависимость тепловых потерь от доли окон в

Улучшение тепловой изоляции приводит к большей экономии энер­гии, чем увеличение площади окон, воспринимающих солнечную радиа­цию. С ростом поверхности окон возрастает также опасность перегрева вследствие солнечной радиации в летнее время. Подчеркнем еще раз, что лучший способ снизить потребление энергии заключается в применении хорошей тепловой изоляции стен. Сбережению энергии способствуют также хорошие конструкции окон.

Теплоемкость здания

В здании с большой теплоемкостью возможно успешное пассивное использование солнечной энергии. Особенно важно, чтобы внутренние стены были изготовлены из материала с большой теплоемкостью. Такие конструкции помогают также сохранять низкую температуру в летнее вре-

помещений

мя.

Однако не следует переоценивать значение теплоемкости здания в решении проблемы энергосбережения. Даже конструкции с большой теп­лоемкостью способны только в течение двух дней предотвращать сильное охлаждение помещения. Они неэффективны в течение более длительных периодов плохих погодных условий.

Прозрачные теплоизоляционные системы

В настоящее время применяется полупрозрачный теплоизоляцион­ный материал, в толще которого имеется множество небольших воздуш­ных камер. Попадающие на стену здания солнечные лучи нагревают ее, при этом сокращаются тепловые потери. Но эти материалы еще проходят испытания. Пока не ясно, будет ли применение прозрачного теплоизоля­ционного материала лучшим решением по сравнению с другими методами энергосбережения. В летнее время оно потребует автоматически работаю­щей системы экранирования.

Примеры стеновых конструкций

На рис. 10.9 и рис. 10.10 представлены удачные конструкции двух типов стен.

На рис. 10.9 показана конструкция стены с толщиной внешнего теп­лоизоляционного слоя не менее 10 см. Внешняя теплоизоляция позволяет избежать появления тепловых мостов.

На рис. 10.10 представлена другая конструкция теплоизоляции, включающей воздушный промежуток толщиной не менее 4 см и располо­женной между наружным слоем отделки и кирпичной кладкой. Материал внешней отделки может быть различным, типа древесины или пластмассы, в зависимости от желаемого внешнего вида.

На обоих рисунках показано распределение температуры по толщине стены.

Нормативы по использованию тепловой изоляции

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

Новые нормативы по использованию тепловой изоляции действуют с 1 января 1995 года. Годовое потребление тепловой энергии определяют следующие факторы:

• теплоотдача,

• вентиляция,

Рис. 10.9. Конструкция стены с наружным теплоизоляционным слоем

Рис. 10.10. Конструкция двух­слойной стены с наружным слоем, защищающим тепло­изоляцию

• внутренние источники энергии,

• солнечная энергия.

Все эти факторы учитываются новыми нормативами.

Максимально допустимое потребление зависит от так называемого А/V-отношения, которое определяется как отношение внешней поверхно­сти (А) к объему здания (V). На рис. 10.11 показано допустимое годовое удельное энергопотребление в зависимости от А/ V- отношения.

По сравнению со старыми нормативами по использованию тепловой изоляции новые нормативы ведут к уменьшению потребления тепловой энергии приблизительно на 30 %.

помещении

ІГ

н-

ш

10.1. Электрические нагреватели с аккумулированием тепла

В Германии используются три основные системы электрических приборов для отопления помещений:

• нагреватели прямого действия,

• нагреватели на основе тепловых насосов,

• нагреватели с аккумулированием тепла.

Нагреватели прямого действия

С технологической точки зрения нагреватели прямого действия, тре­бующие минимальных капитальных затрат, являются наиболее простыми системами для отопления. В Германии пик нагрузки, как решающий фак­тор для электростанций и энергосистем, приходится на зимнее время. До­полнительная установка систем отопления приводит к большим капиталь­ным затратам и даже заметно повышает цены на бытовую электроэнергию.

помещений

При этом следует иметь в виду, что при климатических условиях, преобла­дающих в центральной Европе, отопительный период непродолжителен, порядка 1500 часов в год. Именно в этом причина, почему потребители энергии «боролись против» систем прямого нагрева с высокими тарифами за электроэнергию.

Нагреватели на основе тепловых насосов

Детальная информация о принципе действия и работе приведена в разд. 10.3.

Нагреватели с аккумулированием тепла

В шестидесятые годы XX в. в Германии большинство домов было оборудовано печным отоплением. Применялись угольные печи и печи, ра­ботающие на жидком топливе. Обе системы требовали обслуживания, и жители были заинтересованы в появлении автоматизированных отопи­тельных систем. Со своей стороны, предприятия-производители электро­энергии были заинтересованы в заполнении «ночной» ниши, которое по­зволило бы сбалансировать нагрузку на сеть в ночное и дневное время. На рис. 10.12 показан суточный график нагрузки на электрическую сеть в Германии. В 1965 г., до того как нагреватели с аккумулированием тепла стали широко использоваться, нагрузка на сеть в ночное время снижалась до 50 %. График для 1985 г. показывает достаточно ровную нагрузку на сеть, которая обеспечивается главным образом использованием нагревате­лей с аккумулированием тепла. В этот период природный газ еще не был доступен на рынке как конкурентоспособный источник первичной энер­гии. Эти благоприятные условия привели к быстрому распространению системы нагрева с использованием нагревателей с аккумулированием теп­ла. Для замены угольных котлов в старых зданиях были разработаны на­греватели с аккумулированием тепла для систем центрального отопления, а для новых зданий - нагреватели такого типа для подогрева пола. Для но - помещений

вых зданий система «нагревателей с аккумулированием тепла для обогрева

полов» приобрела существенное значение.

% 100

Рис. 10.12. График энергопотребления в зависимости от времени суток

Было построено всего несколько так называемых «систем централь­ного отопления с аккумулированием тепла», которые, как и другие подоб­ные системы, состоят из центрального нагревателя, от которого горячая вода поступает в радиаторы или в трубы водяного подогрева полов.

Теперь несколько статистических данных. В Германии приблизи­тельно 2,4 миллиона квартир оборудовано нагревателями с аккумулирова­нием тепла, это составляет примерно 9 % (столько же квартир с централи­зованным теплоснабжением). Приблизительно 95 % нагревателей с акку­мулированием тепла установлено в каждой комнате. На рис. 10.13 показан принцип действия подобного нагревателя. Системы подогрева пола и сис­темы центрального отопления с аккумулированием тепла составляют соот­ветственно 3 и 2 %.

В настоящее время большой интерес вызывает вопрос расхода пер­вичной энергии на отопление. Но прежде чем ответить на него, необходи­мо проанализировать возникающие потери энергии.

Любая система нагрева имеет потери:

• при генерировании тепла,

• при распределении тепла,

• при работе системы управления, когда возникает ситуация несоот­ветствия между вырабатываемой тепловой энергией и необходимой.

А - оксид магния; В - резистивный нагреватель; С - шахта для воздуха;

D - вентилятор; Е - теплоизолятор; F - выход горячего воздуха; G - обходной

канал

Потери в генераторе тепла при работе электрических нагревателей отсутствуют, так как электрическая энергия непосредственно превращает­ся в тепловую. Потери в распределительной системе также отсутствуют, поскольку тепло генерируется непосредственно в помещениях. Потери, связанные с управлением, могут иметь место, если нагреватель отдает большее количество тепла, чем фактически необходимо.

Нагреватели с аккумулированием тепла отдают энергию двумя пу­тями:

- через поверхность,

- через воздушный поток, образуемый работающим вентилятором.

Отдача тепла с поверхности регулируется корректировкой мощности

нагревателя. Согласно немецким стандартам нагреватель должен отдавать только 60 % мощности через поверхность.

помещений

С учетом тепловой инерции массивных конструкций здания система управления регулирует количество аккумулированной теплоты в соответ­ствии с внешней температурой последних двух дней. Точное поддержание заданной температуры в помещении производится с помощью вентилято­ра, установленного в нагревателе, который по мере необходимости вклю­чается или выключается.

Нагреватель с аккумулированием тепла обладает следующими пре­имуществами:

• приток тепла от внутренних источников, таких как осветительные лампы, или от солнечного излучения, проходящего через окна, немедленно приводит к снижению теплоотдачи нагревателя;

• нагреватели с аккумулированием тепла имеют очень высокую про­изводительность, поэтому требуется только несколько минут, чтобы на­греть помещение до необходимой температуры при возвращении жильцов в холодную квартиру;

• в начале и в конце отопительного сезона часто нет необходимости отапливать всю квартиру. Можно отапливать каждую комнату отдельно;

• система позволяет точно определить потребление энергии. Каждый пользователь может получить информацию, сколько энергии он израсхо­довал.

В Научно-исследовательском институте (F/Е) была произведена оценка потребления энергии в быту. На рис. 10.14 показано распределение потребления конечной энергии в 506 квартирах в городе Эссен. Оно отве­чает нормальному закону распределения Гаусса.

Конечная энергия является видом энергии, которую оплачивает по­требитель. Это единственный вид энергии, который может быть точно из­мерен.

Рисунок 10.14 показывает, что потребление составляет 92 кВт-ч/м в

год.

Приблизительно 50 % пользователей потребляют меньше 90 кВт-ч/м

помещений

в год. В соответствии с новыми нормами допустимое потребление элек­троэнергии лежит в пределах от 54 до 100 кВт-ч/м в год в зависимости от А/ F-отношения.

Подобная оценка была проведена для сравнения потребления энер­гии в квартирах с электрическими нагревателями, аккумулирующими теп­ло, и квартирах домов с центральным отоплением, работающим на жидком топливе. Результат приведен на рис. 10.15. Квартира отапливается систе­мой, работающей на жидком топливе, потребляет в среднем 207 кВт-ч/м2 в год.

20

Рис. 10.14. Распределение поквартирного потребления конечной энергии

Столь различное потребление конечной энергии убеждает в том, что нагреватели с аккумулированием тепла конкурентоспособны. Расходы на электроэнергию составляют меньше половины всех расходов на содержа­ние жилища, поскольку потребление энергии нагревателями происходит в ночное время, оплачивается по льготному тарифу и может контролиро­ваться.

помещений

Для оценки первичной энергии следует учесть потери при ее произ­водстве и передаче. В Германии потребление первичной энергии нагрева­телями с аккумулированием тепла оказывается лишь на 40 % выше, чем системами центрального отопления на жидком топливе. Приемлемы ли та­кие потери, следует решать в зависимости от рода первичной энергии.

По эмиссии СО2 обе системы почти одинаковы.

50

Электрические водонагреватели

Развитие электрических водонагревателей началось в пятидесятые годы, когда угольные и нефтяные водонагреватели были заменены элек­трическими. Эти настенные установки емкостью 60 или 80 литров (номи­нальной мощностью от 2 до 6 кВт) включались за некоторое время до приема ванны. Поскольку они не имели тепловой изоляции, прогревалась также и ванная комната. Сейчас водонагреватели подобной конструкции вышли из употребления.

Настенные нагреватели для кипячения воды позволяют получать до

помещений

5 литров горячей или кипящей воды. Каждый раз перед использованием прибор заполняется необходимым количеством воды. Устройство подклю­чается к сети мощностью 2 кВт.

Электрические водонагреватели с теплоизоляцией позволяют сохра­нять высокую температуру воды, которая может быть получена в любой момент без задержки. Нагреватели «открытого типа» с одним выпускным краном и неопрессованным присоединением к водопроводу имеют емкость 5, 10, 15, 30, 50, 80 и 100 литров и номинальную мощность от 1 до 6 кВт. Небольшие нагреватели объемом 5 или 10 литров предназначены для уста­новки в кухне или на раковине для мытья и подключаются к сети мощно­стью 2 кВт.

Имеются также спрессованные водонагреватели «закрытого» типа, питающие несколько выпускных кранов. Емкость таких нагревателей мо­жет быть 80, 100, 120, 200, 300 и 400 литров при установленной мощности от 1 до 6 кВт. При емкости 200 и более литров они включаются в ночное время и оплачиваются по низкому тарифу.

Тепловые насосы объединяются с резервуарами для хранения горя­чей воды емкостью до 300 литров. Они устанавливаются в нежилых поме­щениях. Их мощность приблизительно 500 Вт, максимальная температура нагрева воды 60°С.

Широко применяются в Германии водонагреватели проточного типа. Они компактны, поскольку не имеют резервуара, и нагревают воду, теку­щую через нагреватель. Такие нагреватели требуют довольно значитель­ном мощности: 18, 21, 24 и 27 кВт. Приборы подключаются к трехфазной сети.

Короткое время работы нагревателей проточного типа (приблизи­тельно 10 минут на человека в день) определяет малую вероятность одно­временного включения таких установок (ниже 5 % для 100 нагревателей); в отношении нагрузки на сеть нет различия между работой нагревателей проточного типа и нагревателей с емкостью для воды.

помещений

Водонагреватель проточного типа может работать на несколько вы­пускных кранов. Однако краны, по возможности, не должны использовать­ся одновременно. Нагреватели проточного типа не имеют горячего резер­вуара, потребляют энергию только тогда, когда через них протекает поток воды, поэтому они не имеют тепловых потерь.

Водонагреватели проточного типа могут включаться на различные ступени мощности в зависимости от расхода воды, которым точно регули­руется температура ее на выходе. Эти приборы широко используются в Германии, в течение 30 лет их установлено около 8 миллионов.

Водонагреватели проточного типа с электронным управлением обо­рудуются регулятором мощности и термостатом. Их режимы работы могут быть отрегулированы и приспособлены к индивидуальным условиям по­требителя. Температура воды на выходе нагревателя остается постоянной даже при изменении ее расхода. Их стоимость приблизительно в три раза выше, чем стоимость обычных проточных нагревателей, но доля их на рынке уже превышает 20 %. По сравнению с обычными потребление энер­гии электронными проточными нагревателями примерно на 10 % ниже, главным образом благодаря системе управления.