Роль ограждающих конструкций в формировании микроклимата зданий

Под микроклиматом помещения понимают климат ограниченного пространства, который представляет собой совокупность следующих параметров среды: температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха, освещенности, шума, аэроионов, содержания в воздухе газов, а также взвешенных частиц пыли и микроорганизмов. Перечисленные параметры оказывают существенное влияние на физиологические процессы в организме людей, их здоровье.

В значительной мере достижимая степень комфортности обеспечивалась за счет конструкции и теплозащиты здания в сочетании с относительно простыми отопительно-вентиляционными устройствами.

Установленные нормативными документами параметры микроклимата в помещениях зданий различного назначения и воздушно-тепловой режим определяются не только работой систем отопления и вентиляции, но и архитектурно-планировочными и конструктивными решениями этих зданий, а также теплофизическими характеристиками ограждающих конструкций.

В формировании микроклимата большое значение имеют строительные материалы. Они должны быть малотеплопроводными и обеспечивать термическое сопротивление и теплоустойчивость ограждений, обладать воздухопроницаемостью, микроскопической пористостью и достаточной огнестойкостью, обеспечивать прочность сооружения, быть дешевым и легкодоступным в местных условиях, не обладать гигроскопичностью и влагоемкостью.

В современных зданиях обеспечение внутренних комфортных условий представляет сложную техническую задачу. Увеличение этажности приводит к существенному изменению перепада давления воздуха снаружи и внутри здания по его высоте. В результате возникает вертикальное перетекание воздуха и интенсивное газовое и бактериологическое загрязнение верхних этажей и повышение опасности их радонового загрязнения.

Вентиляция и отопление помещений способствует нормализации влажностного режима помещения и, следовательно, увеличению долговечности ограждений.

Усиление герметичности заполнений световых проемов, желательное из условий энергосбережения, актуализирует проблему вентиляции помещений, особенно в жилых зданиях массовой застройки, в которых проветривание ведется естественным путем. Вместе с тем требование интенсивного вентилирования современных помещений связано с применением как новых отделочных материалов ограждений, так и синтетических материалов мебели, оборудования, оргтехники, акустических и видеосистем.

Параметры микроклимата формируются под воздействием на помещение потоков тепла, влаги, газовых примесей. Перечисленные потоки поступают из наружной среды, через внутренние ограждения из соседних помещений здания и от внутренних источников, действующих в технологическом процессе. При взаимодействии с объемом помещения потоки трансформируются и преобразуются, вызывая изменение соответствующих параметров микроклимата. Отклонение параметров от заданных значений компенсируется системами отопления, охлаждения и вентиляции, которые, в свою очередь, также подают в помещение потоки тепла, влаги и свежий воздух, нейтрализующие вредные воздействия на микроклимат.

С повышением влажности строительных материалов увеличивается и их способность проводить тепло. Следовательно, при прочих равных условиях, сырые ограждения будут иметь пониженные теплозащитные качества по сравнению с такими же, но сухими ограждениями. Переувлажнение ограждения приводит не только к выпадению конденсата, но и к его замерзанию, так как основная часть зоны конденсации находится в области отрицательных значений температуры, а многократное чередование оттаивания и замерзания является, в конечном счете, причиной разрушения конструкции.

Влажностный режим наружных ограждений влияет на их теплозащиту и мощность систем, обеспечивающих заданный микроклимат здания. Коэффициенты теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений играют роль не только в оценке общего приведенного сопротивления теплопередаче конструкции, но и в оценке температуры на внутренней поверхности этого ограждения.

Так называемые плотные окна имеют вполне определенное сопротивление воздухопроницанию. При «плотных» окнах в малоэтажных зданиях до пяти этажей инфильтрацией в расчете теплопотерь можно пренебречь, а в более высоких домах на нижних этажах она уже будет ощутимой. От воздушного режима здания зависит не только наличие или отсутствие инфильтрации, но и работа систем вентиляции, особенно естественных. Радиационная температура внутренних поверхностей ограждений, важнейшая составляющая оценки микроклимата помещений, в основном является производной от теплозащиты здания. Теплоустойчивость ограждений и помещений влияет на постоянство температуры в комнатах при переменных тепловых воздействиях на них, особенно в современных зданиях, в которых воздухообмен близок к минимальной норме наружного воздуха.

К средствам регулирования микроклимата принято относить системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Совместно с ограждающими конструкциями эти системы обеспечивают поддержание требуемых параметров как воздуха, так и среднерадиационной температуры. При этом ограждения играют в данном случае пассивную роль, а названные системы – активную.

Системы отопления предназначены для обеспечения заданного температурного режима. Влажностный режим при функционировании только отопительных систем не регулируется, хотя, как правило, при работающем отоплении в зимнее время относительная влажность воздуха в помещении не превышает 40 %, а часто поддерживается на уровне 20–30 %, что, безусловно, нельзя признать удовлетворительным. При этом разновидность отопительной системы практически не имеет значения.

В проектировании и теплотехнической оценке наружных ограждений имеется ряд особенностей. Утепление здания – дорогостоящая и ответственная составляющая современного строительства, поэтому важно обоснованно принимать толщину утеплителя. Специфика сегодняшнего теплотехнического расчета наружных ограждений связана: с повысившимися требованиями к теплозащите зданий; с необходимостью учитывать роль эффективных утеплителей в ограждающих конструкциях, коэффициенты теплопроводности которых настолько малы, что требуют очень аккуратного отношения к подтверждению их величин в эксплуатационных условиях; с тем, что в ограждениях появились различные связи, сложные примыкания одного ограждения к другому, снижающие сопротивление теплопередаче ограждения.

Система кондиционирования микроклимата помещений включает в себя все инженерные средства, обеспечивающие заданный микроклимат обслуживаемых помещений: ограждающие конструкции здания и инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Таким образом, современное здание – сложная взаимосвязанная система тепломассообмена – единая энергетическая система.

Нельзя забывать о таком важном параметре, как воздухообмен помещений (иначе говоря, их вентиляция), необходимый для поддержания требуемого уровня микроклимата в помещениях. При вентиляции происходит удаление пыли, бактерий, лишней влаги, поддерживается уровень кислорода в необходимой для нормальной жизнедеятельности и работоспособности концентрации. В зимний, и в общем случае в любой период, в течение которого производится отопление помещений, энергия затрачивается, в том числе, на подогрев входящего холодного воздуха, причем в достаточно значительных количествах. При этом требуемый уровень воздухообмена необходим как в «холодных» домах, так и в «теплых». Отсюда следует, что как бы мы не утепляли здание, а расходы тепла на вентиляцию без использования специальных инженерных методов уменьшатся от этого не будут, и чем теплее у здания будет «шуба», тем большими в относительном выражении будут затраты на вентиляцию.

В современных домах затраты энергии на вентиляцию и инфильтрацию составляют до 40–50 % всех расходов энергии на отопление зданий, а в отдельные, наиболее холодные периоды времени года, могут достигать 60 %.

Переход в массовом жилищном строительстве на герметичные окна со стеклопакетами наряду с положительными факторами, такими как уменьшение теплопотерь и улучшение акустических характеристик жилища, привел к ухудшению воздушного режима помещений с традиционными системами естественной вентиляции. Старые окна в деревянных переплетах обладают в несколько раз большей воздухопроницаемостью.

Основные положения, которые должны определять подходы к системам вентиляции многоэтажных жилых зданий:

•  система вентиляции – один из основных факторов инженерного обеспечения зданий, который определяет комфортность среды обитания и здоровье жителей;
•  жильцы должны иметь возможность контролировать и регулировать воздухообмен вне зависимости от гравитационного и ветрового перепада давления как в квартире, так и вне ее;
•  движение воздуха в квартире должно быть организовано таким образом, чтобы направление потоков приточного воздуха из жилых помещений было направлено в зоны выделения вредностей на кухню, в ванные комнаты, туалеты. Интенсивность удаления воздуха из отдельных загрязненных зон не должна «опрокидывать» вытяжку из других. Например, включение надплиточного зонта на кухне не должно существенно снижать объем удаляемого воздуха в ванной комнате и туалете;
•  организация воздухообмена не должна приводить к ухудшению акустического режима и должна предусматривать меры как по защите от «городского» шума, так и от шума, генерируемого системами механической вентиляции.

Нарушения режима работы системы вентиляции связаны с изменениями перепада давления воздуха снаружи и внутри квартиры.

Специалисты Западной Европы ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже –10оС.

В решении этой проблемы получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых домов с подогревом приточного воздуха с помощью теплоутилизаторов за счет тепла вытяжного воздуха.

Системы вентиляции с теплоутилизаторами обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести:

•  существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха, – от 50 до 90 % в зависимости от типа применяемого утилизатора;
•  высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью системы вентиляции и сбалансированностью расходов приточного и вытяжного воздуха;
•  возможность защиты от городского, внешнего шума при использовании герметичных светопрозрачных ограждений;
•  возможность гибкого регулирования воздушно-теплового режима в зависимости от режима эксплуатации отдельной квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха;
•  возможность поддержания оптимальной влажности воздуха в квартире при использовании регенеративных теплоутилизаторов;
•  возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Реализация указанных достоинств связана с решением следующих проблем:

•  необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дополнительных воздуховодов;
•  следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (-10оС и ниже);
•  утилизаторы должны быть малошумными и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями;
•  необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

В современных системах вентиляции с утилизаторами теплоты указанные проблемы решаются, но, соответственно, капитальные затраты в этих системах по сравнению с традиционными выше.

С целью решения этих вопросов 1 июня 2009 года была принята и утверждена «Комплексная программа по проектированию, строительству и реконструкции энергоэффективных жилых домов в Республике Беларусь на 2009-2010 годы и на перспективу до 2020 года».

В программе отражено, что важнейшим направлением, позволяющим снизить энергопотери жилых домов и потребление тепловой энергии на отопление, является повышение теплозащиты зданий за счет увеличения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и применения энергоэффективных инженерных систем.

По материалам доклада А. Л. Сидорова, главного специалиста по теплоснабжению и вентиляции института ОАО «Брест-проект»