Кристофер Дж. Барри, директор технической службы “Pilkington NA”, инкорпорированной компании “NSG Group”

Хаким Эльмахди, доктор наук, магистр делового управления, дипломированный инженер, главный специалист по исследованиям, Институт исследований в строительстве, Национальный Исследовательский Совет Канады

 

Аннотация

 

Низкоэмиссионные покрытия передают, отражают или поглощают излучение ближнего инфракрасного диапазона (солнечное излучение) и вызывают существенные различия в суммарном энергопотреблении жилого дома. Тем не менее, этим фактом часто пренебрегают.

Целью данного исследования стало изучение зимнего и летнего энергопотребления в двух идентичных зданиях, в остеклении которых применены два различных вида высокоэффективных низкоэмиссионных покрытий. Эксперимент проводился в природной зоне, где обогрев зданий является жизненной необходимостью; также было проведено моделирование эксплуатации объектов.

Исследование заключалось в детальном сравнении «эталонного дома», остекление которого характеризуется низким коэффициентом теплопередачи U и высоким солнечным фактором g, и «экспериментального дома», остекление которого характеризуется незначительно пониженным коэффициентом теплопередачи U и крайне низким солнечным фактором g. Результаты продемонстрировали важность правильного выбора низкоэмиссионного покрытия.

Суммарная экономия потребления энергии на отопление в «эталонном доме» значительно превзошла увеличение ее потребления на кондиционирование воздуха по сравнению с показателями энергосбережения в «экспериментальном доме».

Кроме того, данный практический пример стал доказательством того, что результаты, полученные в естественных условиях эксперимента, и измерения симуляционной модели существенно не противоречат друг другу.

 

Введение

 

В новейших системах остекления обычно применяется спектрально-селективное стекло, на которое нанесено или не нанесено низкоэмиссионное покрытие (обычно — в коммерческом строительстве), или спектрально-селективное низкоэмиссионное покрытие на прозрачном стекле, дающее определенную степень контроля над получением и потерями тепла через стекло.

Наиболее эффективно низкоэмиссионное покрытие на стекле работает в зимний период. Однако существуют и солнечные характеристики покрытия, контролирующие количество тепла, поступающего через стекло в течение дня. Выбор стекла с покрытием обеспечит различные преимущества в отопительный сезон и летом. Производители стекла предлагают несколько типов покрытий с различными спектрально-селективными свойствами.

В большинстве случаев теплоизоляционные характеристики этих покрытий и их влияние на количество энергии, потребляемой в процессе отопления/кондиционирования воздуха, рассчитываются, исходя из компьютерных симуляций, и очень редко базируются на результатах проведения экспериментов, которые могли бы подтвердить или оценить их влияние.

 

Задачи

 

Хорошо известно, что низкоэмиссионные покрытия значительно улучшают контроль над нежелательными потерями или получением тепла через стекло. Однако роль прозрачных низкоэмиссионных покрытий в передаче или отражении большого количества невидимого ближнего инфракрасного солнечного излучения практически не учитывается.

Задачей данного исследования является экспериментальный и аналитический (с помощью компьютерной симуляции) расчет влияния на энергопотребление жилого дома использованных при остеклении двух типов покрытий.

Условия эксперимента были разработаны таким образом, чтобы сравнить показатели чистого годового энергопотребления двух вариантов остекления с применением низкоэмиссионного покрытия: первый характеризуется высоким солнечным фактором, а второй — низким (излучательная способность понижена незначительно).

 

Место проведения эксперимента

 

Для проведения эксперимента были выбраны два идентичных дома, принадлежащие канадскому Центру технологий жилищного строительства (CCHT) и находящиеся на территории Национального исследовательского центра (Рис. 1). Дома эксплуатируются с 1998 г. для независимых измерений энергоэффективности различных устройств: в частности, печей, водонагревателей, стиральных машин, систем регенерации тепла и т. д. Детальное описание экспериментальной площадки можно найти на сайте http://www.ccht-cctr.gc.ca.

 

Характеристика	Описание
Строительный стандарт	R-2000
Жилая площадь	210 м2, 2 этажа
Изоляция	Чердак: RSI 8.6; стены: RSI 3.5; внешние балки: RSI 3.5
Фундамент	Полностью цементный, заливной Пол: цементный, без изоляции Стены: RSI 3.5 для обитой стены Пароизоляция отсутствует
Гараж	На две машины, включен в планировку первого этажа; в гараже имеется самостоятельный пульт управления
Пол над гаражом	RSI 4.4 с подогреваемым/охлаждаемым воздушным пространством между изолирующим слоем и подпольным настилом
Окна	Общая площадь: всего 35,0 м2, из них 16,2 м2 на юг   Эталонный дом Однокамерные стеклопакеты, низкоэмиссионное покрытие с высоким солнечным фактором на поверхности #3, изолированная дистанционная рамка, аргоновое заполнение, средняя концентрация 92 % после 8 лет эксплуатации   Экспериментальный дом Однокамерные стеклопакеты, низкоэмиссионное покрытие с низким солнечным фактором на поверхности #2, аргоновое заполнение
Воздушный барьер	Наружный, изолированный; строительный изоляционный картон с ламинированным погодостойким слоем. Полная изоляция, включая окна
Воздухонепроницаемость	1,5 проветривания в час (ach). В сочетании с механической вентиляцией дает средний показатель 0,20 ach во время проведения эксперимента
Меблировка	Отсутствует

 

Обе постройки представляют собой типичные двухэтажные дома, предназначенные для заселения одной семьи. Они построены в соответствии с канадским изоляционным стандартом R-2000 и обладают хорошей воздухонепроницаемостью. [1] Дома идентичны; компьютерная симуляция их эксплуатации контролируется посредством ламп накаливания, установленных в нескольких местах. Чтобы воспроизвести энергопотребление в семье из четырех человек, автоматически включаются душ и бытовые приборы. Подробное описание элементов домов см. в Таблице 1.

 

Подготовка домов

 

Чтобы облегчить процесс замены стекол в ходе эксперимента, остекление окон было осуществлено с применением пенного уплотнителя.

Затем в течение одной недели проводились замеры уровня энергопотребления в контрольных точках — необходимо было убедиться в том, что в обоих домах он одинаков при идентичном остеклении.

На Рис. 2 отображены результаты измерений в обоих домах до и после проведения зимнего эксперимента, иллюстрирующие идентичность энергопотребления.

После проведения измерений в контрольных точках окна экспериментального дома были остеклены с применением низкоэмиссионного покрытия с низким солнечным фактором и низкой излучательной способностью (в то время как в остеклении эталонного дома было применено низкоэмиссионное покрытие с высоким солнечным фактором).

В Таблице 2 приведены термические характеристики двух типов окон в обоих домах.

Измерения в естественных условиях эксперимента с применением пиранометров подтвердили вычисленные значения солнечного фактора (Таблица 2). Чтобы удостовериться в том, что концентрация газа внутри стеклопакета не изменилась, измерения содержания аргона были сделаны для всех окон. Для определения правильного расположения низкоэмиссионного покрытия на всех стеклах был использован неконтактный низкоэмиссионный детектор.

 

Как проходил эксперимент

 

В соответствии со стандартом ASHRAE для жилых зданий, 90.2-2004 [2] термостаты были установлены на отметках 25,6 °C для летнего периода и 22 °C — для зимнего.

В Таблице 3 детально описаны условия эксплуатации обоих домов.

Январские температуры в Оттаве находятся в пределах от –18,6 °C до 7,5 °C, а количество поступающего на южную сторону солнечного излучения не превышает 1 100 Вт/м2.

Июльские температуры в этом регионе колеблются от 12 °C до 33 °C, а количество поступающего на южную сторону солнечного излучения доходит до 610 Вт/м2.

На Рис. 3, 4, 5 и 6 показаны результаты ежедневных измерений температуры воздуха и количества солнечного излучения в зимний и летний периоды проведения эксперимента.

 

	Устройство	Эталонный дом	Экспериментальный дом
1a	Плита	Высокоэффективная газовая плита, непрерывная циркуляция, 94 %-ная эффективность в устойчивом режиме работы (измерена)	Высокоэффективная газовая плита, непрерывная циркуляция, 94 %-ная эффективность в устойчивом режиме работы (измерена)
1b	Кондиционер воздуха	2 тонны, 13 SEER (сезонный коэффициент энергоэффективности)	2 тонны, 13 SEER (сезонный коэффициент энергоэффективности)
2	Установки термостата	22 °C — зимой, 25,6 °C — летом	22 °C — зимой, 25,6 °C — летом
3a	Вентилятор регенерации тепла — в зимний период	На низкой скорости, непрерывного действия (65 кб фт/мин), 84 %-ная эффективность (номинальная)	На низкой скорости, непрерывного действия (65 кб фт/мин), 84 %-ная эффективность (номинальная)
3b	Вентилятор регенерации тепла — в летний период	На низкой скорости, непрерывного действия (62 кб фт/мин), 80 %-ная эффективность (номинальная)	На низкой скорости, непрерывного действия (62 кб фт/мин), 80 %-ная эффективность (номинальная)
4	Межкомнатные двери	Все открыты	Все открыты
5	Внешние оконные жалюзи	На окне в форме ромба, выходящем на западную сторону, и на окне спальни, выходящем на южную сторону, где установлен пиранометр, жалюзи нет. Все остальные окна с опущенными жалюзи (пластинки в горизонтальном положении)	На окне в форме ромба, выходящем на западную сторону, и на окне спальни, выходящем на южную сторону, где установлен пиранометр, жалюзи нет. Все остальные окна с опущенными жалюзи (пластинки в горизонтальном положении)
6	Окна	Закрыты	Закрыты
7	Симуляционная модель эксплуатации	Стандартная для четырех человек	Стандартная для четырех человек
8	Увлажнитель	Выключен	Выключен
9	Водонагреватель	Стандартный газовый, 67 %-ная эффективность (измерена)	Стандартный газовый, 67 %-ная эффективность (измерена)
10	Термостат	Программируемый, стандартное расположение в центре на первом этаже	Программируемый, стандартное расположение в центре на первом этаже

 

Результаты

 

Результаты зимнего эксперимента

 

Для поддержания одинаковой температуры в обоих домах при всегда закрытых окнах и дверях ежедневное количество потребляемой на отопление энергии оказалось на 277 Вт (или на 7,8 %) выше в экспериментальном доме (с низким солнечным фактором).

На Рис. 7 показана разница в потреблении природного газа двумя домами. Зимний эксперимент продолжался один месяц, при этом велись записи показателей потребления природного газа и электроэнергии. Затем экспериментальный дом был заново остеклен с применением низкоэмиссионного покрытия с высоким солнечным фактором. Измерения в контрольных точках были сделаны повторно (Рис. 2), чтобы убедиться в том, что никаких серьезных изменений характеристик не произошло.

 

Результаты летнего эксперимента

 

Для поддержания одинаковой температуры в обоих домах при всегда закрытых окнах и дверях ежедневное количество потребляемой на кондиционирование воздуха энергии оказалось на 654 кВт (или на 27 %) выше в эталонном доме (с высоким солнечным фактором).

На Рис. 8 показана разница в величине энергопотребления двух домов.

 

Сравнение методов экспериментального и аналитического расчета

 

Для создания симуляционной модели эксплуатации домов были использованы программы RESFEN [3], HOT2000 [4] и ESPr [5] в сочетании с записью действительных зимних и летних температур. Сравнение трех программ ясно показало, что результаты ESPr наиболее близки к действительным (прогнозируемая величина зимнего энергопотребления оказалась на 2,5 % ниже измеренной в ходе эксперимента).

Аналогичное сравнение действительного и прогнозируемого летнего энергопотребления показало ошибку в пределах 8 % (прогнозируемая величина была ниже измеренной).

В нижеприведенных таблицах приведены годовые затраты на электроэнергию, вычисленные на основании текущих цен, при применении различных видов остекления для 17 городов Северной Америки.

Программа ESPr была использована для составления подробного, месяц за месяцем, прогноза годового энергопотребления для ряда городов США и Канады на основании действительных погодных данных. Симуляция учитывала открывание 8 % окон в летнее ночное время (проветривание) при температуре воздуха снаружи ниже 24 °C.

На Рис. 10 показаны энергозатраты на отопление в ряде городов Северной Америки, вычисленные с помощью программы ESPr для трех видов остекления.

Примечание. «Стандартным» называется остекление со следующими характеристиками: прозрачное стекло, однокамерный стеклопакет, без аргонового заполнения, низкоэмиссионное покрытие отсутствует.

На Рис. 11 показаны энергозатраты на кондиционирование воздуха в ряде городов Северной Америки, вычисленные с помощью программы ESPr для этих же видов остекления.

На Рис. 12 показана разница в суммарной годовой экономии энергопотребления в каждом городе для двух видов остекления — с высоким и низким солнечным фактором.

На двух картах (Рис. 13 и 14) показаны климатические зоны Северной Америки, определенные программой Energy Star.

Результаты данного исследования свидетельствует о том, что в целом экономия энергопотребления в жилых домах достижима благодаря остеклению с применением низкоэмиссионного покрытия с высоким солнечным фактором в Канаде и в северной части Северной климатической зоны США.

 

Заключение

 

Эксперимент Национального исследовательского центра Канады продемонстрировал точность расчетов в программах, связанных с энергопотреблением жилых домов, и позволил измерить разницу в энергопотреблении при применении двух разных видов низкоэмиссионных покрытий в остеклении, один из которых обладает более высоким солнечным фактором, но в то же время и повышенными излучательной способностью и коэффициентом теплопередачи.

Задачей данного проекта был экспериментальный и аналитический (с помощью симуляционной модели) расчет энергопотребления в жилых домах с применением двух различных видов низкоэмиссионных покрытий в остеклении.

Как зимний, так и летний эксперименты показали важное влияние солнечного фактора низкоэмиссионного покрытия на общее количество потребляемой на нагревание и кондиционирование воздуха энергии.

Эксперименты показали, что использование действительных погодных данных в сочетании с подробным компьютерным моделированием дает точные оценки энергопотребления.

Сопоставление результатов эксперимента и компьютерного моделирования позволяет говорить о ежегодной экономии в 150 долл. США для двухэтажного жилого дома в Галифаксе. В других районах Канады и в США этот показатель немного ниже.

 

Общий вывод

 

Применение низкоэмиссионного покрытия с высоким солнечным фактором позволит экономить больше электроэнергии, чем применение низкоэмиссионного покрытия с низким солнечным фактором в тех климатических зонах, где затраты на обогрев помещений выше затрат на кондиционирование воздуха.

 

Авторы выражают признательность IRC: Майку Свинтону (Mike Swinton), Марианне Мэннинг (Marianne Manning), Франку Шадковски (Frank Szadkowski), Анилу Пареху (Anil Parekh), NRCan и “Pilkington (NA)”, инкорпорированной компании “NSG Group”.

 

Литература

 

[1] R-2000 Standard. Canadian Voluntary Standard for Energy Efficient Housing. Natural Resources Canada. 2005. http://oee.nrcan.gc.ca/residential/personal/new-homes/r-2000/standard/standard.cfm?attr=4.

[2] ASHRAE Standard 90.2-2004 “Energy-Efficient Design of Low-Rise Residential Buildings”. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, GA, USA.

[3] RESFEN5 — Calculating the Heating and Cooling Energy Use of Windows in Residential Buildings, Windows and Daylighting Group, Environmental Energy Technologies Department, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA. 2005. http://windows. lbl.gov/software/resfen/resfen.html.

[4] HOT2000TM — Low-Rise Residential Energy Analysis and Design Software. Developed and distributed by Sustainable Buildings and Communities Group, Natural Resources Canada, Ottawa. 2006. http://www.sbc.nrcan.gc.ca/software_and_tools/hot2000_e.asp.

[5] ESRU. 2002. The ESP-r System for Building Energy Simulation — User Guide Version 10 Series. ESRU Manual U02/1, University of Strathclyde, Energy Systems Research Unit, Glasgow, Scotland. http://www.esru. strath.ac.uk/Programs/ESP-r.htm.