Главная / Зенитные фонари в системе энергоэффективности здания

Зенитные фонари в системе энергоэффективности здания

zenitnye1Об энергоэффективности, как новой базовой идее строительства зданий и сооружений, впервые заговорили во время мирового энергетического кризиса 1970-х годов. Более разумное отношение к дорожающим энергоресурсам актуально и в наше неспокойное время. В «настоящем» энергоэффективном здании минимизация расходования энергии на обеспечение комфортного микроклимата во внутренних помещениях обеспечивается целым комплексом архитектурных и инженерных решений, оптимально подобранных для каждого конкретного проекта. Энергоэффективное здание есть результат мастерства архитекторов, конструкторов и специалистов по инженерным системам, которые при проектировании и строительстве стараются максимально использовать положительное влияние окружающей среды на микроклимат помещений и нейтрализовать ее отрицательное воздействие. Значительную роль в этой системе могут сыграть зенитные фонари.

zenitnye2Стремление к постоянной экономии – вовсе не неприятная черта характера. В современном мире это скорее свойство рачительного хозяина, особенно если речь идет об экономии энергоносителей – тех веществ, что мы, по сути, берем у природы взаймы, не задумываясь о возврате. Именно нефть, газ и уголь – небесконечные и невозобновляемые ресурсы – обеспечивают все, что мы подразумеваем под комфортом – тепло, свет и бесперебойную работу различного оборудования, облегчающего нам жизнь в быту и на работе. Простейшие приемы оптимизации энергозатрат дают особенно наглядные результаты при использовании в общественных и промышленных зданиях – там, где деятельность людей наиболее интенсивна и часто носит круглосуточный характер.

Энергоэффективность здания определяется совокупностью многих факторов. Исследования показывают, что через стены теряется до 40 % тепла, через окна – 18 %, подвал – 10 %, крышу – 18 %, вентиляцию – 14 %. Поэтому свести теплопотери к минимуму возможно только при комплексном подходе к энергосбережению.

«Существует четыре основных функциональных качества систем дневного света, касающихся энергопотребления внутри здания: экономия, сохранение, управление и получение энергии, – объясняет Иоахим Хессемер (Joachim Hessemer), технический руководитель LAMILUX Heinrich Strunz GmbH, работающий в области систем дневного освещения. — Мы рассматриваем оболочку здания как защитный кокон, внешняя поверхность которого, как чувствительная мембрана, участвует в энергообмене между внутренней и наружной частью», — говорит он, поясняя, что «количество получаемой и отдаваемой энергии можно эффективно регулировать как напрямую через системы дневного освещения, так и с помощью технологий автоматизации и комплексных элементов управления».

Одним из немаловажных «кирпичиков», составляющих энергоэффективное здание, являются зенитные фонари. Многообразие форм этих светопрозрачных конструкций включает в себя как обычные горизонтальные пролеты, выполненные из стекла или прозрачного пластика, так и сложные сооружения в виде арок или пирамид. Небольшие зенитные фонари (шириной до 1,5 м) чаще всего делают односкатными, более широкие конструкции (до 3 м) требуют двускатного исполнения, а масштабные (3-6 м) – арочного.

Эти простые, эффектные и эффективные устройства позволяют экономить электроэнергию тремя различными способами.

Оптимизация затрат на освещение

zenitnye3Основное достоинство зенитных фонарей – обеспечение доступа дневного света во внутренние помещения. Причем эффективность зенитных фонарей, за счет их практически горизонтального расположения, в 2-2,5 раза превышает эффективность расположенных вертикально окон. Конструктивные особенности фонарей позволяют обеспечить требуемый уровень и равномерность естественного освещения помещений при относительно небольших площадях световых проемов. Это позволяет минимизировать расходы на искусственное освещение.

Согласно нормативным требованиям, освещение производственно-складских зданий (при высоте потолка 9 м) составляет 500 люкс. То есть при освещении с помощью электрических ламп потребуются примерно 70-100 Вт/ч на 1 м2 площади. Нетрудно подсчитать, что при площади цеха, например, в 1000 м2 на 8 ч рабочего времени потребуется, как минимум, 560 кВт.

Напомним, что, по информации Департамента топливно-энергетического хозяйства Москвы, цена электроэнергии в городе к 2025 г. вырастет в три раза. Таким образом, ориентировочный тариф на электроэнергию для промышленных предприятий Москвы увеличится с 1,7 до 3 руб. за кВт/ч в 2011 г., до 4,5 руб. за кВт/ч в 2020 г., а в 2025 г. составит 5,2 руб. за кВт/ч. Если данные прогнозы сбудутся, то на освещение нашего №1 2009 129 TD S TD S гипотетического цеха в 2011 г. потребуется: 560 кВт х 3 руб. = 1680 руб.

В странах Европейского Союза уже сегодня существуют ограничения, согласно которым расход электроэнергии на освещение 1 м2 помещения не должен превышать 1,4-20,4 Вт при норме освещенности 500 люкс. Эту величину можно взять за основу при построении концепции энергосбережения в освещении.

Бернард Адконис, руководитель отдела R&D компании MERCOR

Теплоизолирующие ствойства зенитного фонаря можно улучшить, применяя соответствующую термическую изоляцию основания, а также оптимальное заполнение створки фонаря, соответствующее типу здания.

Выбор материалов для термоизоляции оснований огромен: от самых простых – как минеральная вата, до термоизоляции из пенополистирола XPS или EPS, а также полиуретана РIR. Обращать внимание следует не на толщину утеплителя, а на его теплопроводные ствойства — коэффициент U (Вт/м2K) чем ниже, тем лучше. Например, коэффициент U спрессованной минеральной ваты толщиной 20 мм это 1,8 Вт/м2K, а пенополистирола XPS толщиной 20 мм — 1,35 Вт/м2K.

В качестве заполнителя зенитных фонарей используются акриловые и поликарбонатные купола, а также плиты из ячеистого поликарбоната. Ячеистый поликарбонат может иметь дополнительное покрытие, отражающее УФ-излучение, а ячейки поликарбонатных плит может заполнять дополнительный материал. Теплопроводность поликарбонатных плит зависит не только от их толщины, а также от количества и структуры слоев.

Однако независимо от технического совершенства продукта следует учесть влияние зенитных фонарей на энергетическую характеристику здания уже на этапе проектирования, а на этапе выполения следовать обозначенным термическим параметрам.

Для оптимизации затрат на освещение внутренних помещений, конечно, можно использовать и другие приемы энергосбережения. Например, созданы и успешно функционируют системы, включающие в себя люминесцентные лампы с высокой световой отдачей и низким потреблением электроэнергии. Для работы таких ламп необходима электронная пускорегулирующая аппаратура (ЭПРА), в связи с чем становится очевидным ряд недостатков: высокая стоимость и необходимость в централизованном ремонте ЭПРА или содержании квалифицированного персонала, проблемы также возникают при утилизации ламп по истечении срока их эксплуатации. Все эти показатели приводят к длительной (примерно 5–7 лет) окупаемости таких систем, несмотря на снижение прямых затрат на электроэнергию. Окупаемость же инвестиций в естественную систему освещения вентиляции и дымоудаления составляет 3 года. При этом Солнце является более качественным, безопасным и дешевым источником света.

zenitnye4Автоматизированные элементы контроля представляют неограниченно широкие возможности для оптимизации расходов на освещение. Зенитный фонарь или мансардное окно могут быть оборудованы внешними затеняющими шторками, движение которых управляется датчиком, анализирующим угол падения солнечных лучей. Система естественной вентиляции помещения может управляться датчиком температуры, кроме того, вполне реально предусмотреть включение искусственного освещения в случае, когда интенсивность солнечного света падает ниже установленной величины. При этом вся автоматика здания посредством системы шин может функционально сочетаться с осветительным оборудованием.

Оптимизация затрат на проветривание

zenitnye5Дополнительным «бонусом» при использовании зенитных фонарей является обеспечение качественного проветривания, ведь большинство конструкций снабжены устройством для открывания – ручным либо автоматическим. Так, помимо экономии на искусственном освещении можно добиться значительного уменьшения расходов на кондиционирование в летнее время.

Интегрированные в зенитные фонари клапаны естественной вентиляции и дымоудаления — самый дешевый способ естественной вентиляции объекта.

Применение поликарбоната препятствует прохождению прямых ультрафиолетовых лучей внутрь здания и значительно снижает передачу тепловой солнечной энергии в летнее время. В этом отношении шестислойный поликарбонат толщиной 16 мм имеет очевидное преимущество перед рифленым стеклом толщиной 6 мм.

Количество тепла Qогр, переданное через поверхность зенитного фонаря площадью S, имеющую коэффициент теплопроводности k, вычисляется по формуле:

Qогр = S • k • (T — t) • Y , где T — расчетная наружная температура; t — расчетная внутренняя температура; Y — поправочный коэффициент, значение которого выбирается согласно СНиП 2.04.05-91.

Еще одним механизмом поступления тепловой энергии внутрь зданий является излучение. Наибольший вклад в тепловой баланс здания этот механизм вносит в летнее время и межсезонье, когда наружная температура превышает 10 °С.

Теплопоступление от источников искусственного света рассчитывается по формуле: Q = n • N , где n — коэффициент перехода электроэнергии в тепловую, он составляет около 0,95 для ламп накаливания и примерно 0,5 для люминесцентных ламп; N — мощность ламп.

Кроме того, дополнительное тепло выделяется в процессе работы различного оборудования. Это особенно актуально для «горячих» производств, где технологический процесс сопровождается значительным разогревом сырья, оборудования или готовой продукции, – для того чтобы обеспечить нормальное самочувствие работающих людей, системам кондиционирования порой приходится работать на пределе своей мощности, корректируя не только температуру, но и влажность воздуха.

Теплоотдача от нагретых поверхностей оценивается по формуле: Q = a • S • (tпов — t) , где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху; S — площадь нагретой поверхности; tпов — температура нагретой поверхности; t — температура воздуха в помещении.

Вообще проблема качественной вентиляции стоит в последнее время особенно остро. Появление современных герметичных окон показало несостоятельность «старых» систем вентиляции – в жилых домах и офисах часто неконтролируемо повышается влажность внутреннего воздуха, а на ограждающих конструкциях появляется плесень. Некоторые специалисты, ориентируясь на западный опыт, видят устранение этих недостатков в замене системы естественной вытяжной вентиляции и неорганизованного притока воздуха через открывающиеся створки окон на приточно-вытяжную систему вентиляции с механическим побуждением.

Этому вопросу в последнее время уделяется много внимания, поскольку затраты на вентиляцию зданий по объему занимают второе место после их теплозащиты, особенно в случае производственных и общественных зданий. Однако законодательного ограничения потребления энергии на вентиляцию в СНиП 41-01-2003 не приводится. В результате энергосберегающие решения внедряются крайне медленно. Проектировщики иногда пытаются применить то или иное современное решение, а вот инвесторы часто отказываются, ссылаясь на удорожание строительства или необученность персонала, не задумываясь о ежегодной прибыли в эксплуатации.

Концепция государственной политики по вопросу энергоэффективности в строительстве должна включать в себя не только применение энергосберегающих материалов, но и разработку технологий дальнейшей экономной эксплуатации зданий и сооружений. И еще один важный момент: оценивая эффективность принимаемых решений и мероприятий по энергосбережению, необходимо выйти за привычные рамки оценки, основанной на том, что окупаемость проекта определяется сэкономленными средствами потребителя на оплату потребляемых ресурсов. Эффективность мероприятия имеет гораздо более широкий горизонт оценки, суммирующий эффекты, получаемые на всех этапах технологического цикла производства, транспорта и потребления энергоресурсов.

Оптимизация расходов на отопление

Применение современных светопрозрачных конструкций естественного освещения позволяет значительно снизить прямые теплопотери. Замена рифленого стекла (толщиной 6 мм) на поликарбонат (6-слойный, 16 мм) уменьшает теплопроводность конструкции в зимнее время года. Для того чтобы наглядно представить себе масштаб экономии, следует в приведенной уже формуле

Qогр = S • k • (T — t) • Y

Учесть, что коэффициент теплопроводности стекла 6 мм равен 7,77 Вт/м2K, а для поликарбоната эта величина составляет 1,865 Вт/м2K.

Для повышения теплоизолирующих свойств зенитных фонарей можно использовать прием грамотного распределения нагрузки по нижней части конструкции. Если нижний профиль окажется абсолютно свободным от напряжения, то для его изготовления можно будет использовать менее прочный материал, обладающий, однако, лучшими теплоизолирующими свойствами

zenitnye6В заключение отметим, если снабдить зенитный фонарь чувствительным датчиком дыма, то он станет важнейшей частью системы дымоудаления, автоматически срабатывающей при пожаре. Хотя в экстремальных условиях даже открытый вручную фонарь может заметно понизить температуру в очаге возгорания, отсрочить разрушение несущих конструкций и спасти жизнь и имущество многих людей. Наверное, именно это качество зенитных фонарей является наиболее ценным, а точнее сказать – бесценным.

Редакция благодарит за помощь в подготовке статьи Евгения Вагина, компания TDS. В статье использованы материалы компании LAMILUX. 

P.S. При проектировании систем зенитных фонарей необходимо учитывать ряд климатических факторов. Зимой на поверхности фонаря может скапливаться снег, снижая степень освещенности помещений. Летом при большой площади зенитных фонарей вероятен перегрев помещений. Если сразу, еще на стадии проектирования, не учесть данный аспект (проблема решается путем установки специального поликарбоната со светоотражающим покрытием или цвета «металлик»), впоследствии на объекте возникнет необходимость установки систем кондиционирования, и борьба за его энергоэффективность окажется проигранной.