Энергоэффективный комплекс: Hi-Tech в реалии

1 672

Вопрос энергоэффективности в строительных проектах был актуален всегда. Сложившаяся же ситуация в мире с энергоносителями как никогда обострила к нему интерес. Теперь, например, даже такой нефтегазовый гигант как Россия всерьез занимается проблемой энергоэффективности. Именно о таком уже реализованном российскими специалистами и успешно функционирующем объекте и пойдет речь в этой статье.

Проект “Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2” был реализован в 1998-2002 гг. Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией “НП АВОК” и ОАО “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ” в рамках “Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве”.

Участники проекта:

головная научная организация — Ассоциация “НП АВОК”;

головная организация по инновационному инженерному оборудованию — ОАО “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ”;

генеральный проектировщик — 53 ЦП И МО РФ;

генеральный подрядчик по инновационной части проекта — ЗАО “Прим Экострой”;

оперативное руководство проектом — ЦОПУ КС МО РФ.

Перечень участников проекта говорит сам за себя. Благодаря такому комплексному подходу в проекте удалось решить вопросы создания, натурной апробации и внедрения в жилищное строительство города новейших технологий и оборудования, обеспечивающих как минимум двукратное снижение энергозатрат на эксплуатацию жилого фонда.

Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук члена-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова и под общим руководством доктора технических наук, генерал-лейтенанта В. Ф. Аистова. Со стороны Правительства Москвы проект курировали Комплекс архитектуры, строительства, развития и реконструкции города и Управление топливно-энергетического хозяйства города.
В реализации проекта принимали участие специалисты Мосгосэкспертизы, ООО “ТЕРМЭК”, Высшее инженерно-техническое училище в Санкт-Петербурге (ВИТУ), 26 ЦНИИ МО РФ, ССУ109. К обсуждению концептуальных энергоэффективных технических решений и разработке методик экспериментальных натурных исследований были привлечены независимые иностранные эксперты в области энергосбережения, работающие в рамках программы “TACIS” по проекту EURUS № 9705 “Энергосбережение в строительном секторе”.

Базовой серией для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 111-355. МО. Эта серия наиболее полно отвечает требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений и по своим энергосберегающим показателям действительно является перспективной для жилищного строительства.

План типового этажа жилого дома

Серия 111-355. МО фактически является “конструктором”, из изделий которого могут компоноваться блок-секции от 5 до 25 этажей с любым необходимым составом и площадями квартир, например:
— малые” квартиры:

кухни 8,0-8,6 м²,

общие комнаты 16,0-18,6 м², спальные комнаты 8,8-12,0 м²;
— “муниципальные” квартиры:

кухни 12,0 м²,

общие комнаты 18,6-25,2 м²,

спальные комнаты 12,0-18,0 м²;
— “большие” квартиры:

кухни от 18,0 м²,

общие комнаты от 25,0 м²,

спальные комнаты от 18,0 м² и более.

Климатические характеристики района строительства

расположение: Москва, Россия;

географические координаты: 56° с,ш., 37° в. д.;

высота над уровнем моря: 156 м;

температура наружного воздуха в холодный период: – 26,0 °С;

температура наружного воздуха за отопительный период: – 3,6 °С;

продолжительность отопительного периода: 213 суток;

градусо-сутки отопительного периода: 5 027.

Энергоэффективные мероприятия, использованные при проектировании и строительстве жилого дома

Теплонасосная установка для горячего водоснабжения (ГВС), использующая тепло грунта и удаляемого вентиляционного воздуха.

Система вентиляции с механической вытяжкой и естественным притоком через авторегулируемые воздухозаборные устройства в оконных переплетах и утилизацией тепла удаляемого вентиляционного воздуха посредством тепловых насосов.

Система отопления — двухтрубная горизонтальная поквартирная с теплосчетчиком, установленным на кухне, с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях.

Наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой.

Теплоэнергоснабжение здания

Теплоэнергоснабжение здания осуществляется двумя путями:

за счет использования тепла земли и тепла удаляемого воздуха для горячего водоснабжения посредством тепловых насосов;

использованием источника тепловой (централизованное теплоснабжение) и электрической энергии.

В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение.
Преимущества технологий, использующих тепловые насосы, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплогенерирующего оборудования. В России теплонасосная система горячего водоснабжения для многоэтажного жилого дома была построена фактически впервые.

Схема теплового насоса:
1 — испаритель;
2 — компрессор;
3 — конденсатор;
4 — дроссельный вентиль;
5 — электрическая энергия;
6 — теплота от низкопотенциального источника тепловой энергии;
7 — теплота, отводимая от конденсатора.

Тепловые насосы системы ГВС

Тепловой насос состоит из:

испарителя (1);

компрессора (2), где происходит сжатие паров холодильного агента;

конденсатора (3), в котором происходит переход парообразного холодильного агента в жидкое состояние;

дроссельного вентиля (4), где происходит процесс дросселирования, т.е. необратимого расширения жидкости с понижением давления и температуры. В результате часть жидкости превращается в пар, при этом ее энтальпия остается неизменной.

В испарителе поддерживаются более низкие, а в конденсаторе более высокие температура и давление холодильного агента. Холодильный агент в конденсаторе превращается в жидкость. Затем в дроссельном вентиле его давление понижается, и он частично превращается в пар. Теплота, отводимая от конденсатора, используется для нагревания теплоносителя.
В качестве низкогютенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод.

Наружные ограждающие конструкции

Наружные ограждающие конструкции — 3-слойные железобетонные панели толщиной 350 и 400 мм на дискретных связях (ДС). Наружный слой толщиной 80 мм из тяжелого бетона у = 2 400 кг/м3; внутренний слой из тяжелого бетона у = 2 400 кг/м3, слой утеплителя толщиной 150 мм из полистирольного пенопласта ПСБ-35 (25) [ГОСТ 15588-86*].

Перекрытие над техническим подпольем — сплошные полнотелые железобетонные плиты толщиной 160 мм.

Полы в жилых комнатах, передних и коридорах квартир: щитовой паркет по лагам [ГОСТ 8624-80*] толщиной 30 мм. Подготовка под полы: один слой мягкой ДВП [ГОСТ 4598-86*] толщиной 10 мм на горячей мастике.

Полы первого этажа, как и полы в жилых комнатах, но дополнительно утеплитель — прошивные минераловатные маты толщиной 50 мм [ГОСТ 21880-86*], обернутые полиэтиленовой пленкой.

“Холодный” чердак с плоской крышей.

Перекрытие над верхним (последним) жилым этажом — сплошные полнотелые железобетонные плиты толщиной 160 мм.

Пароизоляция: синтетическая пленка.

Теплоизоляция: плита из полистирольного пенопласта ПСБ-С-35 толщиной 230 мм [ГОСТ 15588-86*]. Верхний слой: армированная цементно-песчаная стяжка толщиной 30 мм (М150).

Окна и балконные двери с тройным остеклением в деревянных переплетах [ГОСТ 16289-80].
Приведенный коэффициент теплопередачи здания в Никулино-2 равен 0,496 Вт/(м2.°С). В таблице указаны значения приведенного сопротивления теплопередаче основных элементов здания.

Значения приведенного сопротивления теплопередаче элементов здания

Основные элементы здания	Приведенное сопротивление теплопередаче, м².°С/Вт
Стены	3,28
Окна и балконные двери	0,60
Покрытия и чердачные перекрытия	4,39
Перекрытия над подвалами и подпольями	4,27
Перекрытия над проездами и под эркерами	1,63

Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);

баки-аккумуляторы горячей воды;

системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;

циркуляционные насосы и контрольно-измерительную аппаратуру.

Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха:
1 — вентиляционные шахты; 2 — вытяжной вентилятор;
3 — теплообменник-утилизатор; 4 — циркуляционный насос;
5 — испаритель теплового насоса; 6 — коллектор

Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания.

Принципиальная схема теплонасосной системы горячего водоснабжения (показана возможность использования низкопотенциального тепла сточных вод)

Грунт поверхностных слоев земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах и не превышающих, как правило, 10-20 метров. Ниже уже находятся слои, не подверженные сезонным колебаниям температуры. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров.
Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли. Он практически не зависит от сезонных и тем более от суточных изменений параметров наружного климата. Таким образом, на сравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем у наружного воздуха.

Характерным является факт запаздывания во времени колебаний температуры грунта относительно колебаний температуры воздуха, в связи с чем на некоторой глубине от поверхности максимальные температуры в грунте наблюдаются в наиболее холодный период года.
При устройстве в грунте вертикальных или горизонтальных регистров труб (системы сбора низкопотенциального тепла грунта) с циркулирующим по ним теплоносителем, который имеет пониженную относительно окружающего грунтового массива температуру, происходит отбор тепловой энергии от грунта и отвод ее в испаритель теплонасосной установки. В данном здании система сбора низкопотенциального тепла грунта представляет собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.
Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Баки-аккумуляторы системы ГВС

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт (1) удаляемый воздух собирается в коллектор (6) и из него вытяжным вентилятором (2) прогоняется через теплообменник-утилизатор (3), охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса (5) промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса (4). От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Циркуляционный насос грунтового теплообменника

Циркуляционный насос системы сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха

Насос системы ГВС

Шаровой кран грунтового теплообменника и счетчик расхода антифриза

Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, — постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

Система отопления
В здании запроектирована поквартирная двухтрубная горизонтальная система водяного отопления с теплосчетчиком, установленным на кухне, а также с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе. Эта система обеспечивает возможность поквартирного учета тепловой энергии и возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях без изменения теплового режима соседних помещений.
Отопительные приборы — конвекторы расположены в подоконном пространстве. Регулирование теплоотдачи отопительных приборов осуществляется терморегуляторами фирмы “Danfoss” установленными на всех конвекторах.
Учет расхода тепловой энергии на отопление — общий на здание, а также и поквартирный.

Конвектор

Поквартирный счетчик

Для организации поквартирного учета тепла обеспечен один ввод в квартиру подающего и обратного трубопроводов и к ним присоединены все отопительные приборы, размещенные в квартире. В строительстве возможны две схемы поквартирного отопления: “лучевая” и “периметральная”.
Лучевая схема реализуется с помощью металлополимерных или полимерных труб, укладываемых в стяжку “чистого” пола. Каждый отопительный прибор присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифоддам) и регулируется автономно.
В периметральной схеме, которая и использована в данном здании, отопительные приборы гидравлически более зависимы. Но такая схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью. При этой схеме трубы укладываются в лотках и могут беспрепятственно обслуживаться. В этом случае возможно использование не только металлополимерных (полимерныех) труб, но и обыкновенных стальных. Независимость развязки трубопроводов от других квартир предполагает возможность индивидуального проектирования отопления каждой квартиры.

Share Схема поквартирного учета тепла 1 — домовой теплосчетчик 2 — поквартирный теплосчетчик	Share Лучевая схема системы поквартирного отопления 1 — домовой теплосчетчик; 2 — поквартирный теплосчетчик
	Share Периметральная схема системы поквартирного отопления 1 — домовой теплосчетчик; 2 — поквартирный теплосчетчик

Поквартирные вводы могут объединяться коллекторами на лестничной площадке в приборном щите с поквартирными теплосчетчиками. В этом случае приборные щиты всех этажей объединяются подающим и обратным стояками системы отопления, связанными через домовой узел учета тепла с теплосетью. В рассматриваемом здании использован другой способ организации поквартирного учета тепла. Отопительные приборы каждой квартиры присоединены к подающему и обратному стоякам через поквартирный теплосчетчик, расположенный на кухне. Квартиры обслуживаются четырьмя подающими и четырьмя обратными стояками (по числу квартир на этаже). Дополнительные стояки обслуживают лестничные клетки и лифтовой холл.

План системы отопления типового этажа

Система вентиляции
Использование окон с высокими теплозащитными характеристиками и низкой воздухопроницаемостью, увеличивающими герметичность здания, потребовало оборудование объекта системой механической вентиляции. Система механической вентиляции, в отличие от естественной, обеспечивает гарантированный воздухообмен в помещениях при любых погодных условиях. Повышение же энергозатрат, связанных с работой вентиляторов, компенсируется за счет утилизации тепла удаляемого воздуха.
В здании применена механическая вытяжная система вентиляции с естественным притоком через воздухозаборные устройства и утилизацией тепла удаляемого вентиляционного воздуха при помощи теплонасосных установок.
Для обеспечения поступления в помещение наружного воздуха, по объему соответствующего количеству удаляемого, используются приточные устройства, встроенные в оконные коробки квартир (кроме кухни). Во избежание проникновения дождевой воды в помещение, с наружной стороны окна установлен козырек.

Приточное устройство в оконной коробке

Авторегулируемое вытяжное утройство

Отработанный воздух удаляется из квартир через авторегулируемые вытяжные устройства, установленные на кухнях, в ванных комнатах и в туалетах. Авторегулируемые вытяжные устройства обеспечивают прохождение через них постоянного расчетного расхода воздуха. При увеличении перепада давления между квартирой и вентиляционной шахтой сопротивление вытяжного устройства проходящему через него воздушному потоку увеличивается и, соответственно, количество удаляемого из квартиры “отработанного” воздуха уменьшается. При уменьшении перепада давления между квартирой и вентиляционной шахтой ситуация обратная — количество удаляемого из квартиры “отработанного” воздуха увеличивается. Конструкция вытяжного устройства достаточно проста: изменение сопротивления вытяжного устройства проходящему через него воздушному потоку обеспечивается автоматически за счет изменения объема находящейся в потоке удаляемого воздуха резиновой камеры, во внутреннюю полость которой имеет доступ воздух из квартиры. При изменении перепада давления между квартирой и вентиляционной шахтой, соответственно изменяется и объем резиновой камеры, уменьшая или увеличивая проходное сечение вытяжного устройства.
Для утилизации тепла удаляемого воздуха в вытяжной камере предусмотрен теплообменник-утилизатор, связанный с испарителями теплонасосных установок промежуточным контуром. Удаляемый воздух вытяжным вентилятором “прогоняется” через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Тепло удаляемого воздуха используется тепловым насосом для подготовки горячего водоснабжения. Полезное тепло собирается в баках-аккумуляторах, откуда по мере необходимости используется в системе горячего водоснабжения.

Ориентировочная экономическая оценка энергосберегающих мероприятий

№ п/п	Мероприятия	Дополнительные капитальные затраты/ USD/м2
1	Ограждающие конструкции с повышенными теплозащитными свойствами	1,03
2	Окна со стеклопакетами с мягким селективным напылением	2,82
3	Остекление лоджий	4,77
4	Радиаторные термостаты и учет теплопотребления	4,79
5	Утилизация теплоты вытяжного воздуха, сточных вод с помощью теплового насоса	6,7
	Всего:	20,17

Укрупненная экономическая оценка энергосберегающих технологий в отоплении и вентиляции в г. Москве

№ п/п	Базовая технология / энергосберегающая технология	Удельные капитальные затраты., USD/м2*	Удельные экс- плуатационные затраты БТ/ЭТ, USD/м2 в год*	Срок окупаемости, лет
1	Двухтрубная вертикальная нерегулируемая система отопления / Горизонтальная поквартирная регулируемая система отопления с термостатами	7-8 / 9-1 1	1,1-1,3 / 0,8-0,1	6-10
2	Вентиляция с естественным притоком и механической вытяжкой / Поквартирная механическая вентиляция с утилизацией тепла	1,5-2 / 8-10	1,8-2,0 / 0,3-0,5	6-8

Горячее водоснабжение
Вода для горячего водоснабжения подготавливается при помощи тепловых насосов, работающих на использовании тепла земли и тепла удаляемого вентиляционного воздуха.
В системе горячего водоснабжения предусматриваются два температурных уровня аккумуляции горячей воды. Первый “низкотемпературный” уровень аккумуляции обеспечивается тепловыми насосами, а второй “высокотемпературный” уровень аккумуляции — ТЭНами, работающими в ночное время суток.

Ю.А.Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин,
“Энергоэффективные здания”, М. 2003

Найдите все свои архитектурные решения через TRUBA.ua: Нажмите здесь чтобы зарегистрироваться. Вы производитель и хотите наладить контакт с клиентами? Кликните сюда.

Автор

ОВВК (ОТОПЛЕНИЕ. ВОДОСНАБЖЕНИЕ. ВЕНТИЛЯЦИЯ кондиционеры.) Журнал

+380 44 501 XX XX +380 44 501 8736

+380 44 501 XX XX +380 44 541 1347

Издатель

ОВВК (ОТОПЛЕНИЕ. ВОДОСНАБЖЕНИЕ. ВЕНТИЛЯЦИЯ кондиционеры.) Журнал