Энергоэффективные светопрозрачные ограждающие конструкции (современная историография вопроса)

Подковырина Ксения Алексеевна преподаватель, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrina Kseniya Alekseevna Educator, the department of Building Engineering and Real Estate Expertise, Siberian Federal University 660028, Russia, Krasnoyarsk, Prospekt Svobodnyi 82 A suusha92@mail.ru Другие публикации этого автора

Подковырин Владимир Сергеевич аспирант, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrin Vladimir Sergeevich Post-graduate student, the department of Building Design and Real Estate Expertise, Siberian Federal University, Architectural Engineer, LLC “Noria” 660028, Russia, Krasnoyarsk, Pereulok Svobodnyi 82a v.pdk@yandex.ru Другие публикации этого автора

Решение вопросов энергоэффективности является частью основы национальной безопасности Российской Федерации. В частности в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) страны имеется огромный потенциал эффективного использования энергии. Энергоэффективность - ключевой индикатор, характеризующий устойчивость развития как страны в целом, так и энергетического сектора.

На основе проведенного нами анализа установлено, что наибольшие теплопотери для всех типов зданий происходят через глухие вертикальные и светопрозрачные ограждающие конструкции. Структура теплопотерь жилого здания представлена на рисунке 1.

Рис. 1 – Структура теплопотерь жилого здания

Несмотря на то, что коэффициент остекленности фасада жилых зданий обычно составляет около 20%, суммарные теплопотери через окна сопоставимы с теплопотерям через стены. Исходя из этого, теплотехническим характеристикам светопрозрачных ограждающих конструкций следует уделять первоочередное внимание.

Целью настоящей работы является выявление актуальных проблем и перспективных направлений исследований в современном строительстве энергоэффективных светопрозрачных конструкций. В связи с этим задачи настоящей статьи - обзор и анализ результатов исследований в области современных проблем энергоэффективных светопрозрачных конструкций, отраженных в научных статьях, опубликованных в последнее десятилетие.

Широкомасштабное применение светопрозрачных ограждающих конструкций в современной зарубежной и отечественной архитектуре (в конце XX и начале XXI века), продиктованное актуальными модными тенденциями в архитектурном дизайне, а также техническими и технологическими возможностями, широко изучено и описано в публикациях последнего времени ^[1-9]. Российские регионы с суровыми климатическими и природными условиями – Сибирь, Дальний Восток, Приполярье - ранее традиционно придерживающиеся устоявшихся традиций с минимальным использованием светопрозрачных конструкций в капитальном строительстве, сегодня с целью приобщения к современным тенденциям все больше применяют новые светопрозрачные материалы, осваивают передовые строительные технологии, что отражено в исследованиях региональной архитектуры (пример: рисунок 2) ^[10-13] Известны примеры использования большеразмерных прозрачных витражных конструкций и в предыдущий строительный период – в середине и второй половине XX века в архитектуре специальных зданий в Сибири - музейных комплексов, профессиональных художественных мастерских ^[14,15]

Рис. 2 – Торговый комплекс «Хамелеон» в Красноярске, 2002 ^[13]

В области теплопередачи и энергоэффективности светопрозрачных ограждающих конструкций имеется значительное количество публикаций. В обзоре представлены работы ^[27-57], которые опубликованы не ранее 2008 года и входят в базу данных российского индекса научного цитирования (РИНЦ), а так же в перечень журналов, рекомендованных высшей аттестационной комиссией (ВАК) ^{[28, 31, 33-48, 53-55]}.

В разработку и изучение энергетической концепции проектирования зданий значительный вклад внесли Богословский В. Н. ^[16], Табунщиков Ю. А. ^[17], Гагарин В. Г. ^{[18, 19]}, Козлов В. В. ^[19], Савин В. К. ^[20], Корниенко С. В. ^[21-23], А. И. Ананьев ^[24], В. И. Прохоров ^[25], Ю. А. Матросов ^[26] и другие ученые. В сфере светопрозрачных ограждающих конструкций можно выделить работы Табунщикова Ю. А. ^[27], Корепанова Е. В. ^[28-31], Спиридонова А. В. ^[32-36] и Шубина И. Л. ^{[35, 36]}.

Развитию светопрозрачных конструкций уделено немало внимания в обзорных статьях. В работах ^{[33, 35]} представлен подробный анализ развития светопрозрачных конструкций в Российской Федерации с 1991 до 2014 года, а так же этапы и перспективы развития рынка. Приведена методика оценки окупаемости энергоэффективных окон в различных регионах РФ. В статьях ^{[32, 37]} рассматривается общая тенденция развития отрасли по производству окон в различных странах и регионах России, и приведено преимущество энергоэффективных окон перед традиционными, заключающееся в снижении затрат на отопление, в соответствии современным нормам и сокращении выбросов парниковых газов. В публикации ^[36] уделено внимание основным направлениям развития светопрозрачных конструкций, которые являются актуальными в настоящее время. Окупаемость энергоэффективных стеклопакетов, по сравнению с традиционными оценена в ^[34]. В диссертации Куземы Г.П. ^[58] приведено исследование и разработка окон повышенной теплозащиты и герметичности для районов с холодным климатом.

С выходом новых нормативных документов повысились требования к энергоэффективности зданий, следовательно, к повышению сопротивления теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций. В диссертации Михеева Д. А. ^[59] подробно описано развитие нормативно-технической базы в области повышения энергетической эффективности зданий. В статье ^[38] выполнен анализ российских и европейских требований в области повышения энергетической эффективности зданий в целом и окон в частности. В данной публикации сделан вывод, что в России, как и в Европе, наблюдается значительное увеличение требований по снижению потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на энергообеспечение зданий, причем законодательные органы Европейского союза устанавливают коэффициент сопротивления теплопередаче окон к 2020 году на уровне 1,67–2,0 м²⋅̊С/Вт, а российские органы власти – к 2016 году на уровне 1,0–1,05 м²⋅̊С/Вт. Согласно Российским законам, с 1 января 2020 года годовая удельная величина расхода энергетических ресурсов в зданиях, строениях и сооружениях должна уменьшиться на 40 % по отношению к базовому уровню ^[38]. В ^[39] проанализированы нормативные требования к теплотехническим характеристикам светопрозрачных ограждающих конструкций. В работе ^[40] приведены результаты рассмотрения несоответствий, разночтений в толковании требований и формулировок, относящихся к области окон, содержащихся в различных нормативных документах: ГОСТ, СП, СТО и др. Перспективы совершенствования оценки теплотехнических параметров окон, с целью более корректного определения технико-экономических показателей применения оконных систем с высоким уровнем теплозащиты, выявлены в ^[41].

Существующие способы определения теплотехнических свойств современных светопрозрачных конструкций проанализированы в статье ^[42], предложен комплексный способ определения фактического значения приведенного сопротивления теплопередаче оконных систем, основанный на измерении средней температуры внутренней поверхности конструкции и определении фактического коэффициента теплоотдачи. Этот метод позволяет более полно учесть термическую неоднородность и достигнуть высокой точности исследований. В работе ^[43] выполнен анализ различных методов по повышению сопротивления теплопередаче стеклопакетов. Зависимость сопротивления теплопередаче окон от различных факторов исследована в статье ^[30]. Пример расчета энергосбережения при выборе окон дан в публикации ^[44].

Одним из способов повышения сопротивления теплопередаче светопрозрачных конструкций является устранение мостиков холода в зоне стыков стен и окон, сопряжения остекления и переплета, откосов. Варианты конструктивных решений снижения теплопотерь в краевых зонах представлены в работе ^{[23, 45]}. В статье ^[46] предложены эффективные конструктивные решения стыка наружных стен и окон. Разнообразные конструктивные решения оконных откосов с применением теплоизоляционных материалов рассмотрены в ^[47]. Различные типы теплозвукоизоляционных окон в раздельных переплетах, включая конструкции с сезонными теплоизолирующими рамками, исследованы в ^[48].

Существуют различные виды энергоэффективных стеклопакетов, и их обзор выполнен публикации ^[49].

Газовые прослойки в стеклопакетах, в частности их толщина, количество и наполненность различными газами, играют большую роль в теплотехнических характеристиках окон. В работах ^[28-31] исследован конвективный и лучистый теплообмен в газонаполненных прослойках стеклопакета.

Нанесение низко-эмиссионного покрытия из оксидов металлов на стекла – это один из методов уменьшения теплопотерь здания через светопрозрачные конструкции. Влияние низко-эмиссионного покрытия стекол на их температуру и сопротивление теплопередаче установлено в ^{[28, 39]}. В статье ^[31] рассмотрены варианты нанесения селективного покрытия на внутренние или наружные стекла в стеклопакетах. В данной работе установлено, что для наиболее экономичного и эффективного увеличения термического сопротивления теплопередаче окна целесообразно наносить покрытие на внутренне стекло. Вместе с тем, следует помнить о том, что при этом уменьшается температура поверхности внутреннего стекла. Если, помимо увеличения термического сопротивления теплопередаче, требуется повысить и температуру поверхности внутреннего стекла, для исключения возможности выпадения конденсата, то покрытие следует наносить на наружном стекле ^[31]. В публикации ^[50] выполнен обзор «умных окон» - окон, которые могут контролировать интенсивность светового потока, поступающего в помещение.

Большая часть исследований в области энергосберегающих светопрозрачных конструкций посвящена окнам с теплоотражающими экранами, жалюзи, светопрозрачными внутренними ставнями. Натурные испытания использования теплоотражающих экранов представлены в ^{[27, 38, 52-56]}. Анализ теплотехнических характеристик светопрозрачной части и повышения сопротивления теплопередаче при применении таких экранов выполнен в работах ^{[27, 39, 53-57]}. В статьях ^{[54, 55]} предложена методика определения эффективности использования теплоотражающих экранов в окнах и методика определения минимальной температуры воздуха внутри помещения. Автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением экранов так же разработана в ^{[54, 55]}. В публикации ^[55] разработан многофункциональный энергоэффективный ставень с солнечной батареей.

Проведенный обзор литературы позволил определить состояние вопроса, наиболее проработанные области, а так же моменты, на которые следует обратить внимание в сфере повышения теплотехнических характеристиксветопрозрачных ограждающих конструкций. Наибольшее внимание уделяется светопрозрачным конструкциям с теплоотражающими экранами, а так же стеклопакетам с низко-эмиссионными стеклами.Результаты проведенного обзора свидетельствуют, что это направление является наиболее перспективным на современным этапе.

Анализ имеющихся публикаций показал, что в статьях не рассматриваются вопросы о долговечности стеклопакетов, наполненных инертным газом, а так же отсутствуют исследования в направлении оптимизации стеклопакетов с позиции энергосбережения и экономической целесообразности. Результаты данной обзорной статьи являются базой для дальнейших исследований в этой области.