Светотехнические и теплотехнические критерии энергетической эффективности светоограждающих конструкций

При реконструкции старых и строительстве новых зданий необходимо руководствоваться принципом рационального использования невозобновляемых источников энергии, т.е. минимальных энергетических затрат, однако на основе обеспечения комфортных условий в помещениях на протяжении всего срока их службы.

Переход от гигиенического принципа проектирования к принципу приведенных затрат, стоимость энергетических затрат обусловили введение повышенных норм теплозащиты окон и стен для создания энергоэффективных зданий. Под энергетическими затратами следует понимать не только энергию, используемую при эксплуатации зданий, но и энергию, затраченную на изготовление строительных материалов и самих зданий, т.е. строительство в целом.



Решение проблемы за счет значительного повышения уровня теплозащиты окон и стен, а также снижения воздухопроницаемости окон [1], которое, казалось бы, должно приводить к теплофизическому комфорту в помещении и экономии энергии, на практике доказывает обратное: на внутренних поверхностях стен и окон образуется конденсат. Выпадение конденсата говорит о том, что микроклимат помещения, его воздух наносят вред здоровью. Для устранения этого явления необходимо установить принудительную вентиляцию или жить с приоткрытыми окнами, однако и первое, и второе влекут дополнительные энергозатраты. Таким образом, увеличение уровня теплозащиты окон не всегда приводит к экономии энергии.

Основное назначение окон - обеспечение помещения естественным светом. В жилых и общественных зданиях с постоянным пребыванием в них людей должно обеспечиваться естественное освещение, коэффициент которого (КЕО), в зависимости от назначения и ориентации здания, а также климатического района строительства, изменяется от 0,4 до 1,6%. Нормируемые значения коэффициента естественного освещения площадью световых проемов F_сп, м², зависит от множества факторов. Ограничение площади световых проемов от наружного ограждения определяется размерами светового проема и не должно ограничиваться, т.к. естественный свет является ключевым биологическим фактором, влияющим на здоровье и производительность, обмен веществ в организме человека, его иммунную систему, психоэмоциональное состояние. При длительном пребывании в помещениях с недостаточным освещением происходит потеря зрения, проявляются вышеперечисленные симптомы светового голодания, которые, в конце концов, приводят к инвалидности. В светлых же помещениях улучшается состояние и самочувствие людей, повышается их работоспособность. Поэтому нельзя эксплуатировать частный эффект экономии энергоресурсов путем уменьшения площади световых проемов, увеличения слоев остекления и прочих мероприятий, снижающих освещенность помещения ниже нормативной.

Однако солнечные лучи при избыточной инсоляции приводят к перегреву помещения и диском форту светового режима, также отрицательно воздействуя на здоровье человека. Это выражается в ослеплении прямыми солнечными лучами, солнечными бликами на стенах, мебели, экранах мониторов, телевизоров и т.д. Все эти явления в совокупности вызывают быструю утомляемость и снижение работоспособности. Поэтому необходимо учитывать как положительные, так и отрицательные влияния повышенной освещенности на общий гигиенический режим помещения.

Солнечная лучистая энергия разделена на три зоны: ультрафиолетовую УФ (длина волны λ= 200—380 нм), видимую (λ = 0,38— 0,75 мкм), инфракрасную ИК (λ = 0,75—2,5 мкм). Обычное стекло не пропускает активные ультрафиолетовые лучи полностью. Те же стекла, которые их пропускают, имеют незначительное тепловое действие, составляющее 2—4% общего количества солнечного излучения.

Вторая зона — это зона видимых лучей. Она воспринимается зрением, химически активна и играет большую роль в жизнедеятельности человека. Тепловое действие видимых лучей значительно и составляет 44—46% общего количества солнечного излучения. Инфракрасная зона солнечного излучения так же, как и ультрафиолетовая, не видима для глаза и обладает только тепловым действием, равным 50—52%. Стекло для видимых и инфракрасных лучей полностью прозрачно, и в результате их совместного действия тепло проникает в помещение, нагревая окружающие предметы, которые становятся источниками нагрева воздуха. В современной архитектуре с ее тенденциями больших остекленных поверхностей этот эффект оставляют без внимания, в результате чего возникает необходимость кондиционирования помещений, влекущая существенные энергозатраты. Избежать этого можно, используя стекло с заданными качественными характеристиками [2]. К данному типу стекол относятся теплоизоляционные — поглощающие или отражающие инфракрасную часть солнечного спектра (рис. 1).



В зимнее время стекло является источником теплопотерь. Это обусловлено его низким термическим сопротивлением, в результате чего оно «отапливает» улицу. Иными словами, тепло из помещения через стекло «выбрасывается» наружу. Это происходит из-за высокой степени черноты (е = 0,95) стекла, т.е. поглощательной способности теплового излучения помещения (+20 °С соответствует излучение с длиной волны 9000— 10 000 нм) и лучистой передачи тепла через стекло.

Поглощательная способность тел определяется формулой Друде:

где αλ — спектральный коэффициент поглощения, λ — длина волны излучения, ρ^э — удельное сопротивление материала.

Интегральная степень черноты зависит от удельного сопротивления материала, его температуры и может быть выражена формулой Аткинаса:

где ε_ин — интегральная степень черноты, ρ^э — удельное сопротивление, T — температура тела в °К.

Для повышения термического сопротивления стекла необходимо снизить его степень черноты, что достигается за счет уменьшения удельного сопротивления путем модифицирования поверхности стекла металлом с высокой электропроводностью (например, серебра толщиной -0,15 нм). Такое покрытие прозрачно для видимой части спектра солнечного излучения, оно задерживает часть ИК солнечного излучения и отражает в помещение большую часть длинноволнового теплового излучения, делая, таким образом, стекло энергоэффективным (рис. 2). Степень черноты стекла снижается до ε - 0,04, по сравнению с ε = 0,95 исходного стекла. Такие стекла разделяются на стекла с твердым покрытием (пироледное нанесение окисно-оловянного покрытия), степень черноты которых составляет ε= 0,4—0,5, и i-стекла с мягким покрытием (магнетронное нанесение серебра), в которых на порядок ниже.



Критерий энергетической эффективности окна при R_ст^пр = 1м²оС/Вт.


Мировыми лидерами по производству ресурсосберегающего стекла являются компании Glaverbel (Бельгия), Pilkington (Англия), Sungaben (Франция). На сегодняшний день источником удовлетворения потребностей отечественного рынка в энергоэффективном стекле является его импорт. И, к сожалению, эта тенденция будет продолжаться еще довольно длительное время.

Автор [3] считает, что для объективной оценки свойств теплозащиты и светопропускания наружных ограждений (окно — стена) необходимо осуществить многофакторный анализ, а также ввести критерий энергетической эффективности наружного ограждения К_эф^огр. Данная отвлеченная безразмерная связывает свойства теплозащиты и светопропускания окна с теплозащитными свойствами стены, показывая, насколько при одинаковом естественном освещении помещения теплопотери рассматриваемого ограждения меньше (больше) эталона, т.е.

К_эф^огр = (q_ок / q_огр^э) = R_огр^прэ / R_ок^пр (3)

где q_ок, q_огр^э— соответственно, средние удельные тепловые потоки рассматриваемого оконного блока и ограждения эталона, Вт г/м² за год, месяц, пятидневку, день, час;
R_огр^прэ, R_ок^пр - соответственно, приведенное сопротивление теплопередаче рассматриваемого оконного блока и ограждения эталона. Эталонное ограждение является единицей измерения свойств теплозащиты и светопропускания наружного ограждения. Сравнивая с ним другие ограждения, состоящие из различных конструкций окон и стен, мы получим критерии К_эф^огр, из которых можно выбрать его наименьшее значение. Автор в качестве эталона выбрал оконный блок в спаренном переплете с двойным остеклением как наиболее перспективный.


В таблице приведены результаты расчета R_ок^пр и К_эф^огр.

Анализ результатов расчета показывает, что наиболее эффективным окном при уровне теплозащиты стены R_ст^пр = 1м²оС/Вт является оконный блок в одинарном переплете с однокамерным, заполненным аргоном, стеклопакетом с низкоэмисионным покрытием. При R_ст^пр > Зм²оС/Вт критерий энергетической эффективности наружного ограждения практически не зависит от уровня теплозащиты стены и его значение совпадает с коэффициентом энергетической эффективности оконного блока.


1. Государственные строительные нормы Украины. Тепловая изоляция зданий ДБН В.2.6.— 31:2006.
2. «СКВО», № 1(10), 2008, стр.64—66.
3. Савин В.К. Критерий энергетической эффективности наружного ограждения, ИБ 4, 2001, с.6—9

Материал подготовили Лобанов В.И., ведущий инженер НТУУ «КПМ», Аанилишин A.M., Сахнюк С.Ю., студенты 3 курса