Светопрозрачные ограждения как элемент системы регулируемого воздухообмена помещений

На волне интереса к исследованиям в области экологии строительства новые подходы к принципам проектирования зданий затрагивают, в том числе, и вопросы обеспечения требуемых параметров микроклимата при одновременном снижении энергопотребления. Одним из примеров такого подхода являются двухслойные стеклянные фасады – они позволяют снизить эксплуатационные расходы и повысить экологичность объекта.

Фасады зданий в значительной степени определяют взаимную зависимость между наружной средой и условиями внутри здания в части освещения, теплообмена, шумозащиты, экологичности, устойчивости к экстраординарным воздействиям, таким как ураганы, пожары, землетрясения. Иными словами, фасады во многом определяют потребительские качества здания.

Регулирование освещения и естественной вентиляции

Остекление фасадов с каждым годом применяется все чаще и занимает все большую площадь. В последнее время появились новые виды стекол, имеющих особые характеристики и способных обеспечить оптимальную освещенность внутренних помещений здания, поскольку от нее в значительной степени зависит общая производительность труда.

Результаты исследования, проведенного компанией «Somfy International», показывают, что в административных зданиях 86 % опрошенных считают, что улучшение качества освещения уменьшит проблемы со зрением во время выполнения обычной офисной работы. Трое из четверых хотели бы иметь возможность самостоятельно регулировать уровень освещенности. Кроме этого, потребность в освещенности существенно меняется с возрастом: при равных выполняемых функциях для пожилых людей требуемая интенсивность освещения может на 40 % и более превышать потребности молодых людей.

Использование регулируемых моторизованных систем внутри и снаружи здания – солнцезащитных козырьков, солнечных экранов, штор, ставней и пр. – не только позволяет регулировать освещение, но и создает возможность естественной вентиляции в летний период, тем самым сокращая потребление энергии системой кондиционирования воздуха.

Системы такого рода, оснащенные специальными программными средствами, помимо интенсивности солнечного излучения, регистрируют значения скорости и направления ветра, интенсивности атмосферных осадков, наружной и внутренней температуры воздуха и по совокупности всех факторов регулируют степень открывания солнцезащитных устройств посредством автоматического привода.

Селективное стекло (стекло с жестким или мягким покрытием, обеспечивающим повышенную теплоизоляцию) обладает эффективным светопропусканием, дает возможность регулировать степень длинноволнового излучения и параметры теплозащиты. Примерно половина солнечной энергии приходится на участок спектра, близкий к длинноволновому. Вследствие этого такое остекление представляет собой интересный компромисс между контролем светопропускания и длинноволнового излучения.

Энергосбережение

Исследования, проведенные в области новых видов остекления фасадов (стеклопакет с улучшенной тепло-изоляцией), показали, что по сравнению с обычным остеклением новый продукт существенно сокращает потребление энергии системами отопления и кондиционирования, одновременно обеспечивая оптимальный уровень освещенности помещений.

В зимний период теплопоступления через новый вид остекления в помещения превышают теплопотери через это же остекление, то есть наблюдается положительный энергетический баланс (в условиях Италии. – Примеч. ред.). Количественно это можно выразить тем, что теплопотери через квадратный метр простого стекла за 30 лет эксплуатации составят примерно 9 260 кВт • ч. Для квадратного метра двойного стекла этот показатель снижается до 2 500 кВт • ч. И, наконец, квадратный метр двойного остекления с покрытием из низкоэмиссионного материала дает положительный баланс в объеме примерно 800 кВт • ч. Сопротивление теплопередаче стеклопакета с улучшенной теплоизоляцией варьируется в пределах от 0,5 до 0,7 м² • °С/Вт с воздушной прослойкой и от 0,7 до 0,9 м² • °С/Вт с заполнением аргоном.

В целом низкоэмиссионное покрытие на основе серебра позволяет увеличить сопротивление теплопередаче стеклопакета до 0,9 м² • °С/Вт, не оказывая существенного влияния на светопропускание (79 % по сравнению с 82 % обычного остекления).

Влияние на микроклимат

Несмотря на все свои достоинства, в зданиях со сплошным фасадным остеклением может, тем не менее, наблюдаться ряд проблем, в известной степени влияющих на комфорт пользователей, а именно:

• нарушение теплового баланса на участках вблизи светопрозрачных ограждающих конструкций;

• образование нисходящих воздушных потоков в непосредственной близости от остекления в холодный период года;

• образование восходящих воздушных потоков от пола, мебели и предметов, на которые попадает прямое солнечное излучение.

Чаще всего для нейтрализации нарушений теплового баланса и предотвращения образования ни-сходящих холодных потоков применяется следующее:

• создание настилающего воздушного потока на поверхности стекла сверху вниз или наоборот (рис. 1);

• использование в регионах с холодным климатом напольных радиаторов, которые в зимний период нейтрализуют потоки холодного воздуха (рис. 2).

Рисунок 1. Линейный воздухораспределитель у кромки остекления коридора административного здания

Рисунок 2. Применение отопительных приборов под остеклением – один из способов предотвращения холодных нисходящих воздушных потоков в холодное время года

Данные меры позволяют в известных пределах нейтрализовать негативные последствия нарушения теплового баланса путем снижения теплопотерь и теплопоступлений через светопрозрачные ограждающие конструкции, хотя это требует определенных дополнительных энергозатрат.

Оценка затратной части на фоне роста популярности «экологичного» строительства послужила одной из причин разработки технологии двухрядных фасадов, когда фасад здания образуют две стеклянных поверхности с воздушной прослойкой между ними, которые обеспечивают естественную вентиляцию в помещениях, при этом экономия энергозатрат может быть достаточно существенной.

Двухслойные конструкции

Двухслойная конструкция фасадного остекления предусматривает две отдельные стеклянные поверхности, между которыми организован восходящий теплый конвективный воздушный поток, который позволяет отвести часть тепла, отобранного из помещений.

Методы проектирования и функциональной привязки двухслойных конструкций подходят для использования в самом широком диапазоне альтернативных решений, и результаты таких решений могут быть самые различные. К примеру, здание оборудуется оконными блоками по числу этажей, каждый блок имеет один наружный слой из однослойного с покрытием или ударопрочного стекла с проемами для забора и вытяжки воздуха, оборудованными ручными или автоматическими заслонками. Внутри устанавливается второй ряд стекла либо стеклопакет с открывающимися элементами. Пример такого решения показан на рис. 3, где хорошо видны различные элементы двухслойной конструкции: во внутреннем пространстве между двумя рядами стекла установлены солнцезащитные устройства, неподвижные или регулируемые, с ручным или автоматическим приводом, в нижней и верхней части имеются воздухозаборные и вытяжные проемы. Хорошо заметно, что между отдельными этажами нет никакой связи. В этом смысле каждый этаж представляет собой отдельный и независимый от верхних и нижних этажей блок.

Рисунок 3. Двухслойное сплошное остекление в разрезе: 1 – выброс воздуха; 2 – регулируемые внутренние солнцезащитные устройства; 3 – форточка в верхней части внутреннего стекла; 4 – открывающееся или неподвижное окно; 5 – наружное стекло; 6 – воздушная прослойка; 7 – форточка в нижней части внутреннего стекла; 8 – забор наружного воздуха

В летнее время солнцезащитные устройства имеют наклон, защищающий от прямого солнечного излучения, которое либо преобразуется в тепло и отводится конвективным воздушным потоком между двумя слоями стекла оконного блока, либо излучается наружу или внутрь здания в виде длинноволнового излучения. Использование специальных видов низкоэмиссионного стекла для внутреннего слоя оконного блока снижает уровень длинноволнового излучения в этом направлении. Перемещение воздуха во внутреннем пространстве оконного блока осуществляется либо за счет конвекции, либо за счет ветрового напора, хотя в некоторых случаях применяется и механическая вентиляция.

Факторы, влияющие на конвективные воздушные потоки:

• температура приточного воздуха;

• расстояние между высотными отметками воздухозаборного и вытяжного проемов;

• площадь данных проемов;

• снижение нагрузки за счет рас-крытых солнцезащитных козырьков;

• ряд других факторов, не всегда поддающихся количественной оценке, таких как завихрение или смешивание воздушных масс под действием ветра и/или в силу его отсутствия на участках вблизи воздухозаборных и вытяжных проемов и пр.

Особое внимание следует обращать на положение солнцезащитных устройств: если установить их слишком близко к внутреннему стеклу оконного блока, то объемный расход воздуха, проходящего по его поверхности, может оказаться недостаточным для отвода тепла. Поэтому устройства надо располагать ближе к внешнему стеклу, оставляя тем не менее достаточное расстояние для прохода воздушных потоков.

Теплопотери и теплопоступления за счет лучистого теплообмена

Солнце создает излучение по всему спектральному диапазону, однако солнечное коротковолновое излучение в видимой части спектра при контакте с мебелью, предметами, стенами и др. как внутри, так и снаружи здания, отдает энергию, повышая температуру предметов. Предметы отдают полученное тепло в виде длинноволнового излучения. Поэтому внутри здания наблюдаются два вида притока тепла излучением: прямое (коротковолновое излучение) и отраженное (длинноволновое излучение, отраженное от стен, мебели и пр.).

Рисунок 4. Длинноволновое излучение, отраженное низкоэмиссионным стеклом

Низкоэмиссионное стекло отражает длинноволновое излучение, испускаемое внешними предметами или грунтом (показанное красным цветом на рис. 4А), которое является наиболее интенсивным в летнее время. При этом такое стекло отражает также длинноволновое излучение, создаваемое предметами внутри здания, что ведет к росту температуры внутри помещения за счет бытовых тепловыделений и заставляет затрачивать некоторое количество энергии на охлаждение или естественную вентиляцию для снятия теплоизбытков. Зимой отраженное низкоэмиссионными стеклами длинноволновое излучение (также показанное красным цветом на рис. 4Б) оказывается положительным фактором, снижает отопительную нагрузку.

Альтернатива двухслойному остеклению детально рассмотрена на а рис. 5 и 6. Данное решение предусматривает установку в промежутке между двумя стеклами специальных фотогальванических модулей, предназначенных для производства электроэнергии. Раздельная «летняя» и «зимняя» регулировка позволяет в зависимости от конкретной потребности отводить излишнее тепло либо использовать его на нужды здания. Такое решение требует организации единого пространства между стеклами оконных блоков на всем протяжении фасада здания, что в летний период позволяет воздуху проходить все расстояние снизу доверху и выходить через вытяжные проемы на крыше здания.

Рисунок 5. Схема двухслойного остекленного фасада со встроенной системой механической вытяжки воздуха в «летнем» режиме, с фотогальваническими элементами. Воздух в прослойке, нагреваемый солнечным излучением, перемещается вверх и в направлении вытяжных проемов, увлекая за собой теплый воздух из помещения. Рисунок 6. Та же система в «зимнем» режиме: воздух в прослойке, нагреваемый солнечным излучением, подается в помещение. Конфигурация аналогична предыдущей схеме с той лишь разницей, что 1 – огнезащитная заслонка с функцией регулирования объемного расхода воздуха закрыта, чтобы не выпускать нагретый воздух; 2 – воздуховод с вентилятором открыт, вентилятор обеспечивает приток нагретого воздуха в помещение. 1 – выброс воздуха; 2 – экран регулирования интенсивности светового излучения; 3 – полупрозрачные фотогальванические элементы; 4 – солнечное излучение; 5 – стекло; 6 – воздухозаборный канал; 7 – огнезащитная заслонка с функцией регулирования объемного расхода воздуха, в летний период открыта; 8 – накопление горячего воздуха; 9 – потолочное перекрытие; 10 – сворачивание фотогальванических элементов, когда они не используются (например, ночью); 11 – стекло; 12 – зона, где воздух помещения увлекается отводимым подогретым воздухом; 13 – зона видимости через полупрозрачные фотогальванические элементы; 14 – фотогальванические элементы; 15 – часть отводимого воздуха; 16 – заслонка, регулирующая объем отводимого воздуха (открыта); 17 – воздуховод с вентилятором (летом воздуховод закрыт, вентилятор не работает)

Нередко используются настоящие вентиляционные каналы для удаления теплого воздуха из пространства между двумя стеклами, как показано на рис. 7.

Рисунок 7. Схема вентиляционного канала (слева) и двухслойного остекления (справа), где осуществляется регулирование солнечного излучения и естественная вентиляция помещений, организованных по принципу открытого пространства (open space)

На рис. 8 представлен фрагмент конструкции, где видны два ряда стекла, разделенные решеткой, ширина которой обеспечивает движение воздушной массы в межстекольном пространстве по всей высоте здания. Окна, имеющиеся на внутренней стороне, можно открывать (при помощи ручного или автоматического приводов) для естественной вентиляции помещений.

Рисунок 8. Фрагмент конструкции, где видны два слоя остекления, разделенные решеткой, ширина которой обеспечивает протекание воздушной массы в межстекольном пространстве по всей высоте здания и его удаление через проемы на крыше здания

Приведенные выше примеры являются лишь немногими из возможных вариантов, используемых при воз-ведении двухслойных конструкций. Однако следует отметить, что какое бы ни применялось решение, остается одна проблема: комфортные условия для помещений с естественной вентиляцией (рис. 9) отличаются от условий в помещениях, обслуживаемых механической системой (рис. 10).

Рисунок 9. Зона комфорта в зданиях с естественной вентиляцией в соответствии с требованиями стандарта ANSI/ASHRAE 55–2004. В случае интеграции естественной вентиляции с механической следует обратить внимание на обеспечение совместимости указанных систем

Рисунок 10. Зона комфорта в зданиях, оборудованных системой механического охлаждения в соответствии с требованиями стандарта ANSI/ASHRAE 55–2004

Пожарная безопасность

Огнестойкость стекол оконных блоков на случай пожара – еще одно немаловажное требование, на которое производители ответили созданием целого ряда изделий специального назначения.

Европейским стандартом EN 357 предусмотрены три класса огнестойкости, обозначаемые буквами латинского алфавита: Е – целостность, W – защита от излучения и I – теплоизоляция, за которыми следуют цифры, обозначающие время в минутах, в течение которого изделие сохраняет заявленные свойства. Например, стекло класса Е 30 обеспечивает целостность в течение 30 минут с момента возникновения пожара. Некоторые изделия могут иметь сочетание свойств, например, одновременно обеспечивать целостность и теплоизоляцию (EI 30) или целостность и защиту от излучения (EW 30). Сегодня на рынке имеется много видов огнестойкого стекла, обеспечивающего целостность (Е) от 30 до 120 мин, в форме простого, с покрытием или двухслойного стекла различной толщины, применяемого как для остекления фасадов, так и для внутренних перегородок.

Некоторые виды стекла имеют между двумя поверхностями промежуточный слой из материала, который при нагревании теряет светопрозрачность и расширяется, образуя тепловой экран. Такой экран обладает определенными теплоизолирующими свойствами и сокращает передачу тепла излучением и теплопроводностью.

Определения:

• Е (целостность) – физическая преграда распространения огня, токсичных газов и дыма.

• W (защита от излучения) – организация безопасных путей эвакуации людей, обеспечение безопасного расстояния между горючими материалами за счет ограничения лучистой теплопередачи в установленных пределах, например, на уровне 15 кВт/м².

• I (теплоизоляция) – наиболее важная характеристика для ограничения температуры на участке, не охваченном огнем.

Интеграция с системами ОВК

Несмотря на то, что здания со сплошным двойным остеклением обладают весьма высокой энергетической автономностью в обеспечении летнего кондиционирования и зимнего отопления, интеграция с системами ОВК чаще всего неизбежна. В этом отношении выбирать систему надо с учетом характеристик конкретного здания. Большинство систем, работающих по принципу рекуперации тепла или в различных вариантах естественного охлаждения, представляются наилучшими кандидатами для интеграции:

• системы с переменным расходом хладагента (VRF-системы) с рекуперацией тепла;

• системы с закрытым водяным контуром с тепловым насосом;

• полностью воздушные системы либо системы класса «вода-воздух» с теплохолодильными агрегатами;

• полностью воздушные системы с естественным охлаждением и рекуперацией тепла;

• солнечные системы, интегрированные с абсорбционными холодильными машинами и системами отопления и ГВС.

В рамках стремления к энергетической автономии логичным представляется выбор геотермальных систем на базе компрессионного или абсорбционного оборудования.

Особое внимание следует уделить системе управления, которая в приоритетном режиме должна обеспечивать возможно более интенсивный отвод тепла в летний период путем естественной или принудительной вентиляции и включать систему ОВК только в том случае, если требуемые параметры выйдут за установленные пределы условий комфорта. В зимний период система управления должна приоритетно ориентироваться на использование солнечного тепла и подключать отопительное оборудование лишь в случае острой необходимости.

Справедливости ради отметим возможность конфликта между естественной и механической вентиляцией. Предпосылки к нему следует изучить на стадии проектирования и заранее определить рациональное решение, чтобы неправильное или неоправданное вмешательство систем ОВК не свело на нет эффективность сплошного двухрядного остекления.

Заключение

Необходимо признать, что значительный рост затратной части по сравнению с расходами на строительство зданий по традиционной технологии, а также сложность более или менее точного расчета энергетических характеристик объекта на этапе проектирования с учетом множества факторов и возможных альтернативных решений, в известной степени пока ограничивают распространение строительства зданий со сплошным двойным остеклением. В целом, однако, эксплуатация уже построенных таких объектов дает положительные и обнадеживающие результаты, особенно в отношении отопления. Не случайно, кстати, наибольшее распространение в Европе такие здания получили в северных регионах – Германии, Голландии и Великобритании.

Переведено с сокращениями из журнала «Costruire Impianti». Автор – A. Briganti.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено Н. В. Шилкиным, доцентом МАрхИ.