Тепловые потери и способы их уменьшения

 

Тепловые потери типичных жилых домов и других зданий происходят по трем основным причинам:

- из-за теплопроводности через стены, крыши и полы, а также в ре­зультате (но в гораздо меньшей степени) излучения и конвекции;

- вследствие теплопроводности и меньшей степени путем излучения и конвек­ции через окна и другие виды остекления;

- из-за конвекции и перетока воздуха через наружные ограж­дения здания, который обычно бывает через открытые окна, двери и вен­тиляци­онные отверстия (принудительно или естественно) или инфильт­рацией (проникновением воздуха через щели в ограждающих конструкциях здания, например по периметру дверных, оконных рам).

В зависимости от того, имеет ли здание хорошую изоляцию или нет, много в нем окон или мало и каковы величины инфильтрации и поступления наружного воздуха, каждый из этих трех факторов составляет от 20 до 50% об­щих тепловых потерь здания.

Основные источники тепловых потерь здания почти невозможно рас­сматривать независимо друг от друга. Разные типы остекления и конструкции стен существенно различаются по количеству проходящей через них теплоты. Например, двойное остекление пропустит теплоты вдвое меньше, чем одинарное, а стена с хорошей изоляцией - около 1/30 (около 4%) того количества теплоты, ко­торое проходит через одинарное остекление. Одинаковое количество теплоты бу­дет потеряно через хорошо изолированную стену 9·2,5 метра и через окно с оди­нарным остеклением 1,2·0,6 метра.

Применение изолирующих ставней для закрытия окон ночью значительно снижает теплопотери. Изолирующие ставни могут также эффективно снизить радиационные потери теплоты и часто почти полностью исключить фильтрацию воздуха. В зависимости от теплового сопротивления изолирующих ставней по­тери теплоты вследствие теплопроводности через окно со ставнями можно уменьшить до 10 раз по сравнению с окном без ставней.

В качестве простого примера экономии в результате применения ставней сравним потери через окно вследствие теплопроводности и для случаев отсут­ствия ставней. Если ставни открыты только в течение дневных часов, т.е. от 40 до 65 % времени отопительного сезона, то благодаря ставням теплопотери бу­дут существенно снижены в течение остальной части отопительного сезона. Если ставни закрыты 1/3 времени, то будет сэкономлено примерно 30 % энер­гии. Если ставни закрыты половину времени, то будет сэкономлено примерно 60 % энергии. Кроме того, существуют несколько факторов, способствующих повы­шению экономии. Например, ночью, когда ставни закрыты, наружная тем­пера­тура воздуха обычно ниже, чем днем. Радиационные потери теплоты также наибо­лее значительны ночью. В дневное время, когда ставни открыты, по­тери теплоты существенно компенсируются поступлением через окна теплоты от солнеч­ного света. По­этому значение ставней для экономии энергии, особенно в сель­ской местности, велико, и их при­мене­нию следует уделять большое внимание.

Тепловые потери за счет конвекции и перетока воздуха через проемы в наружных ограждающих конструкциях зданий могут составлять значительную часть общих потерь теплоты. Эта составляющая потерь бывает особенно ве­лика для таких зданий, как школы, больницы, зрительные залы, в которых тре­буются повышенные скорости вентиляции. Поэтому надо применять теплорегенери­рующие устройства, передающим теплоту от отработанного воздуха к по­ступаю­щему в помещения. Летом приточ­ный воздух охлаждается отработан­ным.

Небольшие вентиляторы, подобные применяемым в ванных комнатах и кухнях, являются причиной утечки меньшего, но все же существенного количе­ства теплоты. Следует отдавать предпочтение вентиляторным системам, которые фильтруют и циркулируют воздух, а не выбрасывают его наружу.

 

Рис. 12.8. Теплоизоляция фундамента и пола: 1, 2, 3, 4 - поступления и потери теплоты через остекление; 5 - бетонный или кирпичный пол; 6 - песчаная,

щебе­ночная или бетонная подготовка; 7 - жесткая конструкционная

теплоизоляция; 8 - гидроизоляционный слой; 9 - земля.

 

Рис. 12.9. Деталь конструкции, обеспечивающая дополнительные изоляционные свойства деревянной фахверковой стены: 1 - наружный отделочный слой; 2 - наружная обшивка; 3 - слой нанесенного набрызгом полиуретана (25 мм); 4 - стекловолокно со слоем фольги (50 мм); 5 - воздушный промежуток (12 мм); 6 - пароизоляция из полиэтилена (0,1 мм); 7 - внутренний отделочный слой.

 

Рис. 12.10. Теплоизоляция вокруг электрораспределительных коробок,

выключа­телей и труб: 1 - войлочная теплоизоляция;

2 - электрораспределительная ко­робка; 3 - пароизоляция.

 

Рис. 12.11. Устройство теплоизоляции камина, примыкающего к наружной стене: 1 - подкаменная плита; 2 - огнеупорный кирпич; 3 - наружная стена;

4 - засып­ная теплоизоляция (толщина 75 мм).

 

Рис. 12.12. Уменьшение потерь теплоты через раздвижную стеклянную дверь при помощи стационарной рамы со стеклопакетом и двери с теплоизоляцией: 1 - изолирующее стекло; 2 - дверь с теплоизоляцией.

 

Рис. 12.13. Добавление второй рамы к окну, уже имеющему стеклопакет

(сниже­ние тепловых потерь на 30-50%).

 

Другой причиной увеличения теплопотерь при обмене между внутренним и наружным воздухом является открывание и закрывание окон и дверей. Чтобы уменьшить расход энергии на отопление и охлаждение, каждый дверной проем должен иметь две двери, которые при необходимости могут располагаться вплотную друг к другу. Например, вторая дверь может быть навешена допол­нительно рядом с основной стандартной дверью. Однако лучше отделять двери друг от друга тамбуром для того, чтобы при открывании наружной двери внутрен­няя дверь оставалась закрытой. Вращающиеся двери приемлемы в местах с ин­тенсивным перемещением людей, а в сочетании с тамбурами такие двери - хорошее средство для экономии энергии.

Ветер является важным фактором в ежеминутном изменении количества воздуха, проникающего в здание. Зарубежными исследованиями показано, что при скорости ветра 8 м/с тепловые потери на нагрев поступающего наружного воздуха возрастают в 2 раза по сравнению с нагрузкой, рассчитанной при ско­рости ветра 2 м/с. Экономия топлива может достигать 30% при хорошей защите здания с трех сторон. В северном полушарии обычно северная и западная стены здания открыты ветру. Поэтому здания надо ориентировать так, чтобы не попадать под господствующие ветры, или иметь защитные экраны (природные растительные или искусственные), чтобы избежать повышенной фильтрации воздуха по периметру дверей, окон и других проемов. Входы в здание не должны располагаться с северной и западной сторон. А если они так расположены, то защита от ветра особенно важна.

 

Рис. 12.14. Расположение естественных преград ветру для экономии тепловой энергии (для случая показанных направлений ветра): 1 - здание; 2 - господствующие летние ветры; 3 - зеленые (летние) насаждения; 4 - господствующие зимние ветры; 5 - вечнозеленые насаждения; 6 - зимние штормовые ветры.

 

Весьма важным при рассмотрении влияния перетоков воздуха в здании на расход энергии является учет проникновения воздуха через трещины и щели в стенах, крышах и окнах. Создание замкнутых воздушных промежутков в стенах зданий и плотная подгонка окон и дверей могут существенно уменьшить влия­ние инфильтрации воздуха. Инфильтрация воздуха через щели в ограждающих поверхностях здания является наиболее важным фактом, который следует учи­тывать при разработке мероприятий по защите от воздействия ветра. Опреде­ленное количество наружного воздуха необходимо людям для вентиляции и ощущения свежести, поэтому естественное проникновение воздуха через щели иногда учитывается при расчете принудительной вентиляции. Тем не менее, надо при­нимать меры для уменьшения такой неконтролируемой инфильтрации наружного воздуха. По мере снижения доли других факторов, вызывающих потери теплоты, проникновение наружного воздуха занимает все больший процент в общей сумме факторов. Сведя к минимуму неконтролируемую инфильтрацию воздуха можно экономить значительное количество энергии.

Может быть полезным и использование в окнах энергосберегающих стекол, принцип действия которых показан на рис. 12.15.

Рис. 12.15. Принцип действия энергосберегающих оконных стекол.

 

 

Энергосберегающие лампы

 

Энергоэффективная ла́мпа - это электрическая лампа, обладающая существенно большей светоотдачей (соотношением между световым потоком и потребляемой мощностью), например, в сравнении с наиболее распространёнными сейчас в обиходе лампами накаливания. Благодаря этому замена ламп накаливания на энергосберегающие способствует экономии электроэнергии.

Часто в быту энергосберегающими называют только компактные люминесцентные лампы, что некорректно из-за того, что энергосберегающие лампы могут иметь другую конструкцию (например, люминесцентные лампы линейного типа с пониженным содержанием ртути и меньшим диаметром трубки), или даже основываться на других физических принципах - таких, как светодиодные лампы, обладающие перед люминесцентными рядом преимуществ: бо́льшая светоотдача, выше механическая прочность из-за отсутствия хрупкой стеклянной колбы и вольфрамовых нитей, долговечность и независимость от частых переключений, более естественный спектр, правда, при более высокой цене. Образ компактных люминесцентных ламп часто используется в рекламе, призывающей к экономии электроэнергии и энергосбережению, что способствует распространению этого заблуждения.

Характеристика, которая выгодно отличает энергосберегающие лампы от ламп накаливания, заключается в том, что энергосберегающие лампы могут иметь разную цветовую температуру, определяющую цвет лампы. Цветовые температуры энергосберегающих ламп бывают разными: 2700 К - мягкий белый свет, 4200 К - дневной свет, 6400 К - холодный белый свет (цветовая температура измеряется градусами по шкале Кельвина). Чем ниже цветовая температура, тем ближе цвет к красному, чем выше - тем ближе к синему.

 

 

Рис. 12.15. Энергосберегающие лампы.

 

Рис. 12.16. Устройство энергосберегающей лампы и функции ее компонентов.

Один из простых способов уменьшить расход электричества без ущерба для комфорта - использование энергосберегающих люминесцентных ламп. Их отличительной особенностью является высокая световая отдача, то есть вели­чина светового потока (измеряется в люменах - лм), получаемого в расчете на 1 Вт мощности, потребляемой лампой. Если для ламп накаливания этот показа­тель составляет до 10-15 лм на 1 Вт, для галогенных - до 30, то для энергосбе­регающих - примерно 50-60 лм на 1 Вт. Таким образом, требуемую освещен­ность можно получить, заменив, например, 100-ваттные лампы накаливания всего лишь 20-ваттными люминесцентными лампами. Несложный расчет пока­зывает: подобная 20-ваттная лампа на протяжении стандартного срока службы (6-8 тыс. ч) позволит сэкономить около 450-600 кВт•ч электроэнергии.

Если «желтоватый» спектр 2700 К воспринимается как «уютный» и годится скорее для гостиной или спальни, то лампы 6500 К дают холодное контрастное освещение, которое не столь комфортно. Но для работы в учреж­дениях подходят именно они.

Механизм работы люминесцентной лампы таков. Стеклянная колба за­полнена смесью инертных газов и паров ртути, а ее внутренняя поверхность покрыта специальным люминофором. Под действием высокого напряжения в колбе с поверхности катода вырываются высокоскоростные электроны. Стал­киваясь с атомами ртути, они отдают часть своей энергии электронам, входя­щим в состав атома, и переводят их в возбужденное состояние. Оно неустой­чиво и через малое время возбужденный электрон возвращается на стабильную орбиту, а избыток энергии выделяется в виде ультрафиолето­вого излучения. Люминофорное покрытие преобразует ультрафиолет в види­мый свет.

 

 

Рис. 12.17. Особенности люминесцентных ламп.

Люминесцентные лампы бывают многоканальные (двух-, трех- и четырех­дуговые), витые, спиралевидные, грушевидные, шарообразные, свечеобразные, цилиндрические, с зеркальным отражателем и т.д.

Все люминесцентные лампы намного эконо­мичнее ламп накаливания. Но они могут сильно различаться по потреблению электроэнергии. Как и для других устройств, для компактных люминесцентных ламп действует европейская классифи­кация энергоэффективности, согласно которой все лампы бывают семи классов - от А до G (класс должен быть указан на упаковке). Самый энер­гоэффективный – класс А (это означает, что лампа данного класса позволяет экономить до 80 % электроэнергии по сравнению с обычными лампами накали­вания).

При выборе лампы необходимо уточнить срок ее службы (стандартный составляет 6-8 тысяч часов). Иногда производитель, чтобы сократить рас­ходы, модифицирует конструкцию за счет элементов, обеспечивающих надеж­ность лампы. Это могут быть отсут­ствие деталей, предохраняющих устройство от перепадов напряжения, или бы­стро «стареющий» люминофор низкого каче­ства. Это сильно уменьшает срок службы компактных люминесцентных ламп. Ряд других производите­лей предпочи­та­ет не экономить на микросхемах, отвечающих за плавный пуск лампы, что га­рантирует большую продолжительность службы (у некоторых изделий она доходит до 12 тысяч часов и даже до 15 тысяч часов). Срок службы связан не только с высоким качеством ламп, но и с приме­нением новых технологий. Так, модель Genura представляет собой индукцион­ную лампу безэлектродной конструкции. В ней электронно-ионная плазма про­изводится с помощью высокочастотной (2,65 МГц) индукционной катушки, пи­таемой от встроенного ВЧ-генератора напряжения. Эта плазма вы­зывает ульт­рафиолетовое свечение ртутных паров, а люминофор преобразует ультрафио­лет в видимый свет. Это обеспечивает длительный срок службы лампы, низкую минимальную температуру запуска (от -10 °С) и до 100 тысяч включений.

Другим решением является амальгамная технология. Такие лампы медленнее разгораются (100 %-й световой поток достигается примерно через 3 мин), но зато меньше подвержены воздействию как высоких, так и низких температур. Это особенно важно при применении лампы в закрытых светильниках и в неотап­ливаемых помещениях, поскольку она запускается при температуре от - 25°С.

Очень важный параметр - размеры лампы. Наличие стандартного цоколя Е27 не гарантирует того, что она подойдет для светильника.

Фирма PHILIPS производит энергосберегающую лампу с двойным свето­вым эффектом «2 в 1». Она имеет встроенный светодиод и может работать в двух режимах: в режиме ночника (приглушенный свет мощностью 1 Вт) и в обычном (излучает свет как обычная люминесцентная лампа мощностью 9 Вт). Модель «2 в 1» рассчитана на эксплуатацию в по­мещениях, где надолго нужно слабое ос­вещение: в спальне, при просмотре телепередач и коридоре для ориентира.

Компактные люминесцентные лампы имеют ряд особенностей, которые надо учитывать при их эксплуатации. Например, на световую отдачу ламп влияет температура окружающей среды. Люминесцентные лампы плохо переносят нагревание выше 60 °С, а на морозе совсем перестают работать. Поэтому при необходимости освещения неотапли­ваемых помещений или дачных участков следует применять специальные мо­дели люминесцентных ламп для наружной установки. Но боль­шинство бытовых моделей люминесцентных ламп не предназначено для при­менения при морозах, когда температура ниже -10°С.

Люминесцентные лампы нельзя использовать в сочетании с диммерами (светорегуляторы, по­зволяющие упорядочивать подачу электроэнергии на све­тильник). Точнее, для люминесцентных ламп нужны диммеры специальной конструкции. Их выпускают лишь несколько фирм. Обычно они рассчитаны на люминесцентные лампы со встроенным электронным ПРА и отличаются сравнительно высокой стоимостью. Поэтому, если вы пользуетесь диммером для изменения интенсивности света люстры, учтите, что при замене обычных ламп накаливания на люминесцентные вам придется менять и свето­регулятор.

Есть энергосберегающие лампы с предварительным прогревом (загораются примерно через 1 с после включения) и с холодным стартом (включаются почти мгновенно). Первые стоят дороже, но имеют практически неограниченное количество перезапусков, вторые же «не любят», чтобы их много раз включали и выключали. Кратковременный запуск устройства на период менее 20 мин вызывает силь­ный износ и значительно сокращает продолжительность его нормальной ра­боты. В помещениях, где свет надо включать и выключать слишком часто, рекомендуется устанавливать лампы с предварительным прогревом. Внешне они ничем не отличаются от моделей с холодным стартом, поэтому тип их конструкции следует обязательно уточнить у продавца.

При длительной эксплуатации у всех люминесцентных ламп падает све­товая отдача. Нормой считается снижение этого показателя на 20 % к концу расчетного срока службы, но при низкокачественном люминофоре уровень све­товой отдачи может составлять и 50 %. Непрофессионал не сможет отличить качественный люминофор от некачественного. Поэтому, чтобы яркость лампы не слишком сильно снижалась при выработке ресурса, покупайте продукцию известных фирм.

Теплоизоляционные материалы