Энергоэкономичные малоэтажные жилые здания

John K. Holton, член ASHRAE

"Применение интегрированных систем в жилых домах" (Residential Integrated Systems Application) - это первый проект консорциума по НИОКР в области строительства жилых зданий, в состав которого входят изготовители строительных материалов и изделий, а также архитектурно-инженерная фирма. Цель проекта заключается в разработке методов строительства энергоэкономичных, экологически чистых домов повышенного качества по доступным ценам. В результате должна быть создана строительная технология, которая благодаря оптимальному соотношению затрат и энергетической эффективности стала бы приемлемой для широкого круга строительных организаций по всей стране. Поддержку проекту оказало, в числе прочих, Министерство энергетики США.

Одна из задач консорциума состоит в проведении прикладных исследований в области жилищного строительства. Разработка данного проекта, начатая в 1992 г., включала такие стадии, как изготовление технических натурных моделей и затем строительство опытных зданий для их сравнительного анализа. На начальной стадии исследований изучались все компоненты строительной технологии по отдельности для определения наилучших методов строительства. Была проведена оценка существующих методов и отмечены их недостатки. По завершении начальной стадии было предложено строительство нового дома.

В табл. 1 перечислены составные элементы первой стадии разработки здания. Все использованные в проекте системы и компоненты относятся к числу широко применяемых в строительстве. Залогом достижения целей проекта было применение интегрированного подхода. В частности, была разработана высокоэффективная оболочка для повышения энергетической эффективности и снижения тепловых нагрузок на систему отопления, охлаждения, вентиляции и обеспечения качества воздуха в помещениях (ООВК). При меньшей нагрузке можно было выбрать систему ООВК меньшей мощности, более простую в монтаже и менее дорогостоящую. Для достижения высоких рабочих характеристик оболочки здания внутридомовые коммуникации и электрические системы в наружных стенах не устанавливались. Для прокладки коммуникаций в здании было использовано открытое пространство между стропилами перекрытий.

На основе результатов начальных исследований в предместье Питтсбурга, штат Пенсильвания, были построены два опытных здания площадью 3346 фут² (311 м²), включая подвал. Здания построены по аналогичным проектам, расположены всего в трех участках друг от друга и имеют одинаковую ориентацию. Это дало прекрасную возможность проверить разработанную консорциумом конструкцию. Оба здания представляют собой современные модели. Здание A - это стандартная панельная конструкция. Здание B, с точки зрения стороннего наблюдателя, неотличимое от Здания A, на самом деле отличается от него почти во всем (табл. 1).

Оболочка.

Опытное здание B намного превосходит Опытное здание A по теплотехнической эффективности оболочки. У него лучшая теплоизоляция, оно более воздухонепроницаемо, имеет заполненные аргоном окна с низким коэффициентом "E" и более высоким "R". Для всех пролетных элементов (кровли, перекрытий и т.д.) применены стропильные конструкции (фермы) или деревянные балки с параллельными слоями. Для перекрытий и настилов крыши использованы щиты из теплотехнически ориентированных многослойных панелей (OSB, oriented strand board), для теплоизоляции использована целлюлоза, а для обшивки - переработанная газетная макулатура. Так как основное внимание в смысле использования материалов в здании уделено именно оболочке, такой выбор материалов из переработанной древесины и вторичного волокна способствует реализации принципов практической целесообразности.

Система ООВК.

Механическая система (ООВК) в Опытном здании B использует преимущества, которые обеспечивает высокоэффективная оболочка, и поэтому значительно уступает по мощности аналогичной системе в Опытном здании A. Меньшие (на 35%) габариты каналов позволяют пропустить их через фермы перекрытий. Из-за низких значений теплопотерь и теплопоступлений (в особенности, через окна) вентиляционные решетки расположены вдоль центральной оси здания (в сторону наружной стены). Такие укороченные каналы обеспечивают хорошее перемешивание воздуха в комнатах. В здании была предусмотрена приточная вентиляция за счет использования центрального вентилятора с утилизацией энергии (УЭВ). Центральное оборудование отличается меньшей мощностью (по отоплению на 22% и по кондиционированию воздуха на 42%) и более высоким КПД (отопление: более 90% против 80%; кондиционирование воздуха: SEER 14 против SEER 10), что способствует снижению энергопотребления.

Более низкая нагрузка позволила отапливать Опытное здание B вместо печи с помощью змеевика от нагревателя горячей воды (рис. 1), герметичного топливного агрегата с высоким кпд. Камин представляет собой герметичную топливную конструкцию. Система зонирования с непрерывной модуляцией обеспечивает превосходный термический контроль на всех трех этажах здания.

Рисунок 1. Схема системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха Опытного здания В.

Водо- и газоснабжение: В качестве арматуры системы водоснабжения применена система "мокрых выпусков", сокращающая число выпусков через крышу. Для подачи используются полибутиленовые трубы, частично проходящие через здание, что делает диаметр труб меньше, сокращает количество стыков и повышает термический КПД горячего водоснабжения. Новые конструкции "мокрых стен" в ванных комнатах позволяют убрать системы водоснабжения из наружных стен.

Энергоснабжение, сигнализация и управление (ЭСУ). Система ЭСУ в Опытном здании B представляет собой наиболее заметное новшество в современной практике жилищного строительства и служит примером высокого темпа инноваций в данной области. В системе предусмотрены каналы, доступ к которым обеспечен по всему зданию, рассчитанные на удовлетворение будущих потребностей, связанных с ЭСУ. В нескольких местах здания устроены узловые точки, в которых могут располагаться компоненты системы (реле, контрольные модули, аудио- и видеокомпоненты, устройства и модули связи и т.д.). К этим точкам (нейтральные точки звезды) от ввода в здание ведут предварительно смонтированные каналы. От этих узловых точек проложены каналы к кабельным каналам наружной проводки для обслуживания каждой комнаты. Таким образом, не нужно опутывать весь дом проводкой, что почти целиком устраняет необходимость устройства электрических распределительных коробок в наружных стенах. Система хорошо приспособлена к разнообразию местоположений контрольных компонентов системы ООВК.

Энергоэффективность.

Хотя энергоэффективность - это краеугольный камень систем, разрабатываемых консорциумом, исследования, проведенные на Опытных зданиях A и B, были посвящены в большей мере оценке практического применения методик интегрированного проектирования, чем энергетическому КПД в целом. Первоначальная оценка характеристик энергопотребления этих двух зданий была проведена с помощью метода краткосрочного энергетического мониторинга (Short Term Energy Monitoring, STEM), разработанного Национальной лабораторией возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) (см. таб. 2 и рис. 2)

Рисунок 2.

Такая оценка дает возможность сопоставить эксплуатационные характеристики двух Опытных зданий. Измерения, проведенные в ноябре 1994г., показали, что потребление газа для отопления в Здании B было почти на 33% ниже, чем в Здании A. В ходе испытаний оба здания были незаселенными. Качество строительства Здания A превышает как местные стандарты, так и требования Закона штата Пенсильвания № 222 ("Энергетический кодекс"). Инфильтрация на Здании A составляла 0,33 ACH при измерении методом нагнетания давления при герметизации дверных проемов ("дверь-воздуходувка"). На Опытном здании B было достигнуто существенное улучшение по сравнению с Опытным зданием A (Таблица 1) с инфильтрацией 0,15 ACH. Эти результаты подтверждают достижение базового кпд и, соответственно, возможность оценки прикладных характеристик системы.

Как показал сравнительный анализ, проведенный в летнее время при действии режима сильного охлаждения, температура на чердаке Опытного здания B была на 200^oF (110^oC) ниже, чем в здании A. В настоящее время проводится дальнейшая оценка, чтобы выяснить, объясняется ли это преимущество лучшим воздухообменом между свесом и коньком крыши или тем, что на Опытном здании B применена другая кровельная плитка. В гараже Опытного здания B установлены испытательные камеры, в которых отслеживается реакция на влагу различных изоляционных материалов: целлюлозы, стекловолокна и пенополиуретана. Эти исследования должны определить наилучший баланс термоизоляции, воздушной герметизации, допуска на влажность, стоимости и экологических свойств.

Качество воздуха в помещении (КВП) и термический комфорт: Отталкиваясь от базового уровня хорошего энергетического КПД как в Опытном здании A, так и в Опытном здании B, были выполнены обширные прикладные работы по оценке эффективности системы зонирования, стабильности и стратификации температуры, эффективности вентиляции, рабочих характеристик вентиляционных решеток, герметизации здания и КВП.

Обширный температурный мониторинг в Опытных зданиях A и B показывает стабильность температур на всех трех этажах обоих зданий. По сегодняшним стандартам здание A можно считать приемлемым, а здание B показывает круглосуточное заметное повышение уровней комфорта на всех этажах. Это преимущество объясняется более высоким КПД оболочки (в особенности, окон) и активной системой зонирования, реализованной в Здании B. Как показывают дальнейшие исследования, преобладающим фактором здесь выступает оболочка, из чего следует, что применение высокоэффективной оболочки может устранить необходимость активного зонирования для целей комфорта. Тем не менее, на этот вывод сильно влияют конфигурация здания и расположение остекления.

У Опытного здания A - стандартные вентиляционные решетки, а у Опытного здания B конструкция предусматривает высокоэффективные ленточные вентиляционные решетки из числа имеющихся на рынке, расположенные на потолке вдоль центральной оси здания. При этом использованы укороченные каналы и отсутствуют вентиляционные решетки под мебелью и за занавесками. Для оценки эффективности конструкции Опытного здания B были проведены испытания с помощью инфракрасного экрана NREL для графической оценки режимов воздушных потоков. Мониторинг распределения температуры воздуха показал, что "вдольпотолочный поток" (эффект Coanda), пересекающий комнату и постепенно смешивающийся вдоль оконной стены комнаты, создает хороший уровень комфорта.

Поскольку конструкция Опытного здания B довольно герметична, позитивная механическая вентиляция является главным компонентом системы ООВК. Проверка КВП выполнялась независимой лабораторией несколько раз в течение первых лет существования обоих зданий. Цель этих проверок состояла в оценке КВП и его изменения в зависимости от возраста здания, а также в оценке преимуществ от вентиляции.

Показатель летней инфильтрации Опытного здания A был равен 0,07 ACH, что много ниже уровня, рекомендуемого стандартом ANSI/ ASHRAE Standard 62-1989: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality ("Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха в помещении"). Опытное здание B, где установлен УЭВ, обеспечивает круглогодичный постоянный уровень 0,33 ACH. На Опытном здании B были проведены испытания и оценка альтернативных систем вентиляции с подающими и вытяжными вентиляторами. Для оценки этих систем были проведены исследования с примешиванием трассирующего газа и исследования с герметизацией. Результатом этих исследований стала разработка новой конфигурации системы и рабочей методики, которые превзошли УЭВ по показателю "затраты - эффективность".

Новшества.

Опытное здание B означает серьезный шаг вперед в интегрированном проектировании жилых зданий. Новаторство подхода к проектированию Опытного здания B заключается в составлении тщательного инженерного проекта (основанного на промышленно применяемых методах проектирования) и тщательного балансирования конструктивных особенностей ради достижения желаемых рабочих характеристик. Лучшим примером тому служит сочетание высокоэффективной оболочки, системы ООВК уменьшенной мощности и использования регулирования давления для подачи свежего воздуха. Такая оболочка открывает возможность капиталовложений в более эффективную систему ООВК. Электродвигатель ECM в случае применения высококачественных агрегатов имеет настолько высокий КПД, что его можно использовать для обеспечения постоянной циркуляции воздуха. При наличии регулирования давления отличное КВП может обеспечить воздухозаборник свежего воздуха (или небольшой вентилятор), превратив инфильтрацию из дополнительной нагрузки в элемент вентиляционной системы.

Показатель "затраты - эффективность".

На Опытном здании B с успехом показано, что без изменения внешнего вида дома или технологии его строительства можно достичь отличных эксплуатационных характеристик. На очереди стоит следующая задача, а именно, чтобы строители по всей стране научились воспроизводить такие же эксплуатационные характеристики эффективным с учетом затрат способом. Консорциум в настоящее время работает над методами автоматизированного проектирования как системы ООВК, так и оболочки.

Строительный опыт показывает, что тщательный анализ технологии строительства во многих случаях позволяет значительно снизить стоимость каркаса здания. Сэкономленные средства можно потратить на усовершенствование окон и теплоизоляции и повышение воздухонепроницаемости, что означает снижение тепловых нагрузок и уменьшение мощности системы ООВК. Систему ООВК можно усовершенствовать за счет теплоизоляции каналов, герметизации и применения оборудования с более высоким КПД. Выигрыш владельца здания будет состоять в уменьшении затрат на оплату энергии, и с учетом такой экономии он сможет позволить себе приобрести дом более высоких потребительских качеств.

Перепечатано из журнала "ASHRAE JOURNAL", ноябрь 1997

Перевод с английского Б. Рубинштейна