Енергозбереження у житлових та громадських будівлях

Україна, як відомо, належить до країн із малими енергетичними запасами. Ціни на світовому ринку енергетичних ресурсів стрімко зростають, а їхні запаси виснажуються.

Тому першочерговим завданням є мінімізація витрат теплоти на опалення житлових будівель. Зменшення енергоспоживання експлуатованих будівель може досягатися шляхом підвищення теплотехнічних характеристик огороджувальних конструкцій.

Аналіз теплового балансу будівель показує, що теплові втрати становлять: через стіни — 39%; через вікна — 22%; через підвальні та горищні перекриття — 9%; на вентиляцію — 30%, тобто втрати через оболонку будівлі становлять 70% усіх тепловтрат.

Зниження до мінімуму тепловтрат через огородження будівлі дає змогу на 30% і більше зменшити витрати теплоти на опалення і, відповідно, на стільки ж знизити викиди в атмосферу продуктів згоряння, що дуже важливо в нинішній непростій екологічній ситуації.

До вікна як атрибуту середовища існування людини висуваються вимоги комфорту, світлопропускання, теплоенергозбереження та безпеки.

Світлопрозорі огороджувальні конструкції забезпечують природну освітленість приміщень і можливість візуального контакту людини з навколишнім середовищем.

До світлопрозорих огороджувальних конструкцій житлових і громадських будівель належать:

• вікна та засклені двері;
• вітрини та вітражі;
• засклені стіни фасадів;
• елементи скління дахів, огородження зимових садів, торговельних павільйонів тощо.

На відміну від стін, де спостерігається молекулярний перенос теплоти шляхом теплопровідності, у вікнах відбувається складний процес теплопередачі трьох видів:

• теплопровідності в непрозорих частинах конструкції вікон, у склі та в газовому прошарку між стеклами;
• конвекції в газовому прошарку та біля поверхонь скління;
• випромінювання в прошарку між стеклами та біля поверхонь скла.

Підвищення теплозахисних якостей вікон досягається шляхом створення умов для зниження кожної складової процесу теплопередачі (теплопровідності, конвекції та випромінювання) окремо для кожного з двох конструктивних елементів вікон — непрозорої частини та скління.

Вибір матеріалу та конструкції рами

а) дерев’яні вікна

Серед “модних” матеріалів для будівництва пальму першості утримує натуральна деревина.

Деревина позитивно впливає на мікроклімат у приміщенні. Деревина поглинає надлишкову вологість, акумулює її та за потреби знову повертає в приміщення.

Теплопровідність матеріалів різна:

• для деревини lдер= 0,18 Вт/(м x °С);
• для ПВХ lпвх= 0,15-0,2 Вт/(м x °С);
• для алюмінію lалюм= 221 Вт/(м x °С).

Таблиця 1 Мінімально допустиме значення R0, (м2 x °С)/Вт опору теплопередачі огороджувальної конструкції житлових і громадських будівель, що діє в Україні

Теплофізичні дослідження у кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП серійних дерев’яних вікон показали, що опір теплопередачі дерев’яного профілю залежно від товщини віконних блоків змінюється від R0= 0,72 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,98 (м2 x °С)/Вт. Дерев’яні вікна потребують якісного скління, оскільки конденсат, стікаючи зі скла, потрапляє в деревину, яка гниє. Що стосується скління, то опір теплопередачі становить:

• – для однокамерних склопакетів із тепло відбивним покриттям R0= 0,51-0,53 (м2 x °С)/Вт;
• – для двокамерних склопакетів із простим склом R0= 0,47-0,64 (м2 x °С)/Вт.

З огляду на чинні нормативні вимоги до світлопрозорих конструкцій (R0= 0,50 (м2 x °С)/Вт (I зона); R0= 0,42 (м2 x °С)/Вт (II–III зона); R0= 0,39 (м2 x °С)/Вт (IV зона)) можна зробити висновок про достатність рівня теплозахисту обв’язки скління для найпівнічнішої температурної зони України за використання однокамерних склопакетів із тепло відбивним покриттям і двокамерних.

У зв’язку з обмеженням за показниками міцності дерев’яні профілі досить рідко застосовуються у вітражних конструкціях. На сьогодні деревина є єдиним віконним матеріалом, що застосовується для реставрації та заміни вікон у будівлях, які є пам’ятками архітектури й становлять історичну цінність.

б) полівінілхлоридні вікна

Наступним матеріалом за своїми теплозахисними якостями є полівінілхлорид (ПВХ). Експлуатація вікон із ПВХ у країні з суворим континентальним кліматом пов’язана з певними технічними обмеженнями, зумовленими сильною залежністю властивостей матеріалу від температури. Недарма віконні фірми з достатнім досвідом роботи призупиняють монтаж вікон із ПВХ у зимовий час за температури зовнішнього повітря нижче –15ѕ–20 °С, щоб уникнути ризику крихкого руйнування профілю.

Варто враховувати й різке падіння міцнісних властивостей ПВХ за температури вище +40 °С, а поблизу температури +80 °С розташована його температура розм’якшення.

Отже, застосування ПВХ-вікон неприпустиме в приміщеннях із підвищеними тепловиділеннями.

Теплофізичні дослідження у кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП серійних ПВХ-вікон показали, що опір теплопередачі ПВХ-профілю залежно від кількості повітряних каналів змінюється від R0= 0,55 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,91 (м2 x °С)/Вт (залежно від кількості камер у профілі).

Що стосується скління, то опір теплопередачі становить:

• для однокамерних склопакетів із тепло відбивним покриттям R0= 0,46-0,49 (м2 x °С)/Вт;
• для двокамерних склопакетів із простим склом R0= 0,67 (м2 x °С)/Вт.

в) алюмінієві вікна

Алюмінієві вікна добре відомі в нашій країні ще з часів Радянського Союзу. “Холодний” алюмінієвий профіль застосовувався під час будівництва більшості адміністративних будівель. На відміну від профільних систем із ПВХ, які орієнтовані на заповнення невеликих віконних прорізів житлових і громадських будівель, алюміній посідає одне з основних місць у фасадних технологіях (засклені фасади багатоповерхових адміністративних будівель, куполи та склепіння, а також ліхтарі верхнього світла). Тобто алюміній у світлопрозорих конструкціях застосовується там, де вкрай необхідно засклити великі площі, що сприймають значні за величиною динамічні та статичні навантаження. Фасадні системи сприймають значні за величиною вітрові навантаження, на профілі впливають власна вага скла та температурні напруження.

На сьогодні алюмінієві профілі поділяються на дві групи: “холодний профіль”, що слугує для виготовлення вікон, які застосовуються в неопалюваних об’єктах, і “теплий профіль” для вікон та засклених дверей опалюваних приміщень. Відмінністю між цими двома профілями є наявність термоізоляційної вставки, що розділяє зовнішню та внутрішню частину профілю.
Теплофізичні дослідження у кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП серійних алюмінієвих вікон (табл. 4) показали, що опір теплопередачі алюмінієвого профілю змінюється від R0= 0,31 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,45 (м2 x °С)/Вт. Що стосується скління, то опір теплопередачі становить:

• – для двокамерних склопакетів із тепло відбивним покриттям R0= 0,53-0,81 (м2 x °С)/Вт;
• – для двокамерних склопакетів із простим склом R0= 0,47-0,57(м2 . °C)/Вт.

Вибір скління

а) багатошарове скління

Термічний опір скла за теплопровідності l = 0,76 Вт/(м2 x °С) товщиною 3 мм становить RT=0,004 (м2 x °С)/Вт, ним можна знехтувати. Термічний опір скління створюється лише повітряним прошарком. Товщина повітряного прошарку обмежена до 5 см, оскільки подальше збільшення повітряних прошарків не призводить до збільшення опору. Виходячи з кліматичних умов України необхідні два прошарки, тобто потрійне скління або двокамерний склопакет.

б) тепло відбивні покриття на склі

Теплова ефективність тришарового скління ґрунтується на зниженні конвективних тепловтрат — 15% і тепловтрат через теплопровідність — 15%. Однак понад 70% теплоти йде через скління за рахунок випромінювання. Зниження променевої складової досягається шляхом застосування тепло відбивних покриттів на склі. Тепло відбивні покриття на склі мають низький ступінь чорноти e в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль від 2,5 до 25 мкм. Скло з такими покриттями на 5% знижує світлопропускання та відбиває назад у приміщення до 90% теплоти, що втрачається за рахунок випромінювання.

У літній період такі покриття відбивають інфрачервону складову назовні, запобігаючи тим самим перегріванню приміщення.

Відбиття інфрачервоних променів виникає за рахунок створюваного електромагнітного поля рухомих вільних електронів поверхневих атомів. Для тепло відбивних покриттів використовують напівпрозорі металеві плівки товщиною 1 мкм — від 8 до 20 атомарних шарів (золото, срібло, мідь, а також напівпровідникові оксиди металів олова, індію, титану тощо).

Вибір оптимальної товщини повітряного прошарку склопакета

Під “оптимальною” товщиною повітряного прошарку розуміють таку товщину, за якої опір теплопередачі буде найбільшим і виключається конвективна складова повітря всередині склопакета. У цьому разі товщина повітряного прошарку визначатиметься товщинами двох збіжних граничних шарів біля поверхні скла всередині склопакета. Таким чином, за оптимальної товщини повітряного прошарку повітря всередині прошарку нерухоме (швидкість дорівнює нулю), і передавання теплоти здійснюється теплопровідністю та випромінюванням.

У кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП були проведені дослідження з визначення оптимальної товщини повітряного прошарку за різних зовнішніх температур повітря. Побудовано графіки нелінійних залежностей опору теплопередачі склопакетів різної товщини від температури.

Наявність газів-наповнювачів у склопакетах

Останнім часом використовується можливість підвищення опору теплопередачі склопакетів шляхом заповнення простору між стеклами різними газами або сумішшю газів, що мають меншу теплопровідність і здатність до конвекції, ніж повітря (аргон, двоокис вуглецю, неон тощо). У разі збільшення повітряного зазору зростає теплопередача, оскільки збільшується передавання теплоти конвекцією.

Водночас у просторі, заповненому двоокисом вуглецю, теплопровідність майже в 1,5 раза, а у разі заповнення неоном — у 5 разів менша, ніж у разі заповнення повітрям. Тепловтрати однокамерного склопакета, заповненого повітрям, становлять 70% за рахунок випромінювання, 15% за рахунок теплопровідності та 15% за рахунок конвекції.

У більшості випадків як гази-наповнювачі використовують нешкідливі та порівняно недорогі гази, такі як аргон і двоокис вуглецю.

Технологія теплого краю

Під час використання доброго профілю, скління з тепло відбивними покриттями не варто забувати про утеплення краю склопакета. Значні теплові втрати припадатимуть на периферійні зони скла, оскільки теплові потоки завжди проходять у місцях із найменшим опором. Край склопакета впливає як на периферійні зони скла, так і на раму.

Утеплення краю склопакета впливає на підвищення температури периферійних зон скління, тим самим зменшуючи ймовірність випадіння конденсату.

Проблеми повітрообміну

Останніми роками в Україні широке застосування отримали західні віконні технології та матеріали: вікна виготовляють із мінімальними допусками та оснащують еластичними ущільнювачами, що забезпечують майже абсолютну герметичність. Таке виконання вікон є кроком уперед у частині зниження тепловтрат через скління, зменшення проникнення пилу в приміщення, підвищення інших конструктивних і експлуатаційних показників.

На сьогодні вікна є єдиним джерелом припливу свіжого повітря, що забезпечує роботу системи природної вентиляції, яка існує в нашій країні.

Проєктні будівельні організації виявилися не готовими до такого різкого змінення властивостей вікон, унаслідок чого в багатьох випадках застосування нових вікон незадовільно впливає на вентиляцію житлових приміщень. Не враховується та обставина, що примусова припливна вентиляція в нашому житлі, як правило, не передбачена і не може бути виконана без капітальної реконструкції будівлі. Не передбачається примусова припливна вентиляція також і в проєктованих і споруджуваних будівлях масової забудови, оскільки чинними нормами проєктування житлових будівель і надалі рекомендована природна припливна вентиляція кватирками.

Повітрообмін житлових будівель є чинником, що значною мірою визначає рівень повітряно-теплового комфорту та витрати теплової енергії. Зменшення обміну повітря чинить негативний вплив на здоров’я людей.

Компенсація видаленого через систему витяжних вентиляційних каналів “відпрацьованого” повітря передбачена згідно з чинною нормативною документацією двома шляхами:

• через періодично відчинювані кватирки вікон до 2/3 однократного повітрообміну або за рахунок зимового провітрювання в імпортних вікнах.
• через нещільності в притворах вікон і балконних дверей до 1/3 необхідного однократного повітрообміну.

Основним є підведення повітря через кватирки, а повітропроникність вікон і балконних дверей має бути зведена до мінімуму.

Шевельов В.Б., к.т.н., с.н.с., директор,
Черних Л.Ф., к.т.н., с.н.с., керівник відділу будівельної теплофізики,
Дац П.А., інженер, КиївЗНДІЕП