Экономия энергии с помощью систем временной теплоизоляции. Результаты исследований Института оконных технологий (г. Розенхайм)

Рост цен на электроэнергию и стремление сократить выбросы углекислого газа сделали экономию энергии для отопления и кондиционирования жилых и офисных зданий общемировой необходимостью. Во многих странах главным методом снижения энергопотребления является энергетическая санация построенных зданий. Для ее проведения необходимо оценить и проанализировать различные технические и конструктивные возможности, а также выявить решение, наиболее выгодное с экономической точки зрения. Кроме классических и хорошо известных на рынке методов, таких как замена окон и обеспечение лучшей изоляции внешних стен, междуэтажных перекрытий и крыши, значительно улучшить теплоизоляцию здания помогает установка роллет. В первую очередь это касается стран с континентальным климатом, для которых характерны холодная зима и жаркое лето, а также регионов с малой облачностью. Здесь роллеты, раздвижные или распашные ставни будут полезны вдвойне. В качестве средства временной теплоизоляции холодной зимней ночью они сокращают расходы на отопление, а летом как эффективная солнцезащита снижают потребность в кондиционировании помещений. В данной статье поясняется, какие конструктивные аспекты роллет необходимо учесть и насколько высок потенциал экономии электроэнергии.

     

Рис. 1. Роллеты и другие системы солнцезащиты в течение всего дня обеспечивают защиту от солнца и звукоизоляцию, а ночью – теплоизоляцию и тепловой комфорт  

Физико-технические аспекты

При определенных условиях системы внешней и внутренней солнцезащиты, к которым согласно EN 13659 относятся роллеты, раздвижные ставни, жалюзи и текстильные системы, установленные на прозрачные поверхности (окна и остекленные площади), холодной ночью могут служить средством тепловой изоляции. В течение дня они применяются достаточно редко, так как жители домов предпочитают использовать естественное дневное освещение и иметь визуальный контакт с внешним миром. Чтобы точно рассчитать потенциал экономии энергии, необходимо принять во внимание различные факторы, влияющие на здание. Согласно EN ISO 13790 имитация таких факторов проводится на основе модели одной комнаты (DIN EN ISO 13791). Это упрощает процесс определения потенциальной экономии энергии. В целом на эффективность системы временной теплоизоляции наибольшее влияние оказывают следующие факторы.

1. Воздухонепроницаемость системы (статичность воздушного слоя и сопротивление теплопередаче согласно EN 13125).  
2. Показатель теплоизоляции системы (сопротивление теплопередаче и излучение при использовании инфракрасных отражающих покрытий).  
3. Уровень теплоизоляции внешней стены и окон/остекления.  
4. Климатические условия (продолжительность светового дня и температура внешней среды в отопительный период).  
5. Вид системы управления и время, необходимое для закрывания системы (в определенные часы или согласно продолжительности светового дня).  

Показатель потенциального энергосбережения соотносится с площадью окна, так как все факторы одинаково влияют как на окна, так и на системы временной теплоизоляции, а улучшение физико-технических характеристик ограничено площадью прозрачной поверхности.  

Рис. 2. Важные факторы, влияющие на систему временной теплоизоляции

Коэффициент теплопередачи Uw

Для точной оценки потенциального энергосбережения на уровне зданий необходимо учитывать климатические данные, конструкцию здания, окон и отопительной техники. Покупателю эта информация, как правило, неизвестна, и для быстрой оценки она слишком трудоемка. По этой причине важно также рассматривать уменьшение коэффициента теплопередачи ΔUw – параметра, хорошо известного архитекторам, производителям и строителям. Однако напрямую определить показатель потенциального энергосбережения в данном случае невозможно, так как коэффициент теплопередачи уменьшается только тогда, когда задействована система временной теплоизоляции. Для определения температуры внутренней поверхности показатель ΔUw,tws (уменьшение коэффициента теплопередачи окна с системой временной теплоизоляции), конечно, имеет немаловажное значение. Ниже приведены расчеты для систем внешней солнцезащиты, установленных на окна стандартного размера согласно EN 14351-1: 1,23×1,48 м, доля оконной рамы 30%.

Uw – коэффициент теплопередачи окна, Вт/(м²•К)  
Uf – коэффициент теплопередачи оконной рамы, Вт/(м²•К)
Ug – коэффициент теплопередачи стеклопакета, Вт/(м²•К)
Af – площадь оконной рамы, м²
Aw – площадь окна, м² (Аf + Аg)
Ag – площадь стеклопакета, м²
lg – длина периметра примыкания стеклопакета к профилю, м
Ψg – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м•К)
ΔR – сопротивление теплопередаче внешней солнцезащиты, (м²•К)/Вт
ΔUw,tws – уменьшение коэффициента теплопередачи окна с солнцезащитой, Вт/(м²•К).

Уменьшение теплопередачи с помощью системы временной теплоизоляции зависит от сопротивления теплопередаче внешней солнцезащиты ΔR, на которое значительное влияние оказывает воздухопроницаемость системы и показатель теплоизоляции. Суммарная величина зазоров etot (сбоку, сверху и снизу) рассчитывается по следующей формуле:

В зависимости от показателя etot системы внешней солнцезащиты подразделяются на пять классов согласно EN 13125 (табл. 2). Самый высокий уровень воздухонепроницаемости (класс 5) достигается в случае, когда в роллетном полотне отсутствуют воздушные и световые зазоры (ламели упираются друг в друга или расположены внахлест), а суммарная величина зазоров между системой внешней солнцезащиты и наружной стеной, окном или фасадом составляет менее 3 мм. Воздухонепроницаемость в соответствии с EN 13125 представлена в таблице 1, точные показатели измеряются исходя из положений EN 12835. Стандарт EN 13125 устанавливает классы минимальной воздухонепроницаемости для определенных конструкций. Например, складные ставни (аккордеон) соответствуют 1-му классу, раф-шторы с соединенными или зафиксированными ламелями в закрытом положении — 2-му классу.  

Таблица 1. Классы воздухопроницаемости согласно EN 13125

Класс	Характеристика	etot	ΔR в (м2·К)/Вт
1	Самая высокая воздухопроницаемость	>35 мм	ΔR = 0,08
2	Высокая воздухопроницаемость	15-35 мм	ΔR = 0,25xRsh + 0,09
3	Средняя воздухопроницаемость	8-15 мм	ΔR = 0,55xRsh + 0,11
4	Низкая воздухопроницаемость	3-8 мм	ΔR = 0,80xRsh + 0,14
5	Воздухонепроницаемая система	<3 мм	ΔR = 0,95xRsh + 0,17

Показатель сопротивления теплопередаче роллетного полотна Rsh или другой системы внешней солнцезащиты должен указываться поставщиком. Он определяется путем испытаний с помощью термокамеры согласно EN ISO 12567-1 или расчитывается по стандарту EN ISO 10077-2 и должен указываться с точностью до сотых. Оба исследования проводятся в Институте оконных технологий (г. Розенхайм). Нанесенное на систему внутренней солнцезащиты инфракрасное отражающее покрытие учитывается через показатель k, который зависит от коэффициента излучения ε данного покрытия и умножается на ΔR.

Рис. 3. Снижение коэффициента теплопередачи ΔUw в Вт/(м²•К) для окна с Uw = 2,8 Вт/(м2•К) с системой временной теплоизоляции в зависимости от сопротивления теплопередаче роллетного полотна Rsh и класса воздухонепроницаемости согласно EN 13125

Конструкция системы

Конструкция системы временной тепловой защиты (роллеты, жалюзи и т.д.) должна не только увеличивать теплоизоляцию, но и выполнять ряд других важных функций: защищать от солнца, взлома, ливня, града и ветра. На показатель теплоизоляции солнцезащитной системы влияют сопротивление теплопередаче материала (роллетного полотна) и воздухонепроницаемость. В наибольшей степени – герметичность стыка системы внешней солнцезащиты и временной теплоизоляции с наружной стеной, окном или фасадом: между системой временной теплоизоляции и окном должен образовываться статичный воздушный слой.  

Рис. 4. Распределение зазоров согласно EN 13125 (фото ГК «АЛЮТЕХ», Отчет об испытаниях Института оконных технологий № 11-000216-PR03)  

Снижение тепловых потерь при нанесении инфракрасного отражающего покрытия на системы внутренней солнцезащиты возможно при соблюдении следующих условий.

1. Слой инфракрасного отражающего покрытия нанесен на места слабой конвекции, как правило, на сторону, обращенную к окну.  
2. Оптимально — на строительные элементы с низкой теплоизоляцией».  
3. Обеспечена защита покрытия от загрязнений».  
4. Покрытие защищено от повреждений при чистке или эксплуатации.  

В системах внешней солнцезащиты инфракрасное отражающее покрытие не может учитываться согласно EN 13125, а также из-за загрязнения в период эксплуатации.  

Пример расчета

Определение возможного уменьшения коэффициента теплопередачи Uw показано на примере окна с роллетой из алюминия. Такая конструкция также обеспечивает более надежную защиту от взлома. Для расчета использовалась роллетная система RS.AR41 ГК «АЛЮТЕХ» (см. Протокол испытаний Института оконных технологий № 11-000216-PR03).

Рис. 5. Стыки и зазоры, обеспечивающие 4-й класс воздухонепроницаемости согласно EN 13125 (чертежи ГК «АЛЮТЕХ» из отчета об испытаниях Института оконных технологий № 11-000216-PR03)    

Описание продукта и параметры

Роллетная система, состоящая из роллетного полотна с концевым профилем, роллетного короба, боковых направляющих шин и нижней шины в качестве обрамления. Алюминиевый профиль заполнен полиуретановой пеной. Шины и концевой профиль из алюминия имеют уплотнительную вставку из EPDM. Конструкция роллетного короба уплотнителей не предусматривает.

Величина зазора между роллетным полотном и коробом или строительным элементом:
величина зазора снизу – 0 мм
величина зазора сверху – 5 мм
величина зазора сбоку (слева и справа) – 1 мм
Rsh = 0,02 (м²•К)/Вт

Расчет дополнительного сопротивления теплопередаче

Распределение по классам воздухопроницаемости согласно EN 13125:
величина зазора снизу: e₁ = 0 мм
величина зазора сверху: e₂ = 5 мм
величина зазора сбоку: e₃ = 1 мм
общая величина зазоров: etot = e₁ + e₂ + e₃ = 6 мм

Воздушные и световые зазоры в роллетном полотне отсутствуют: ламели упираются друг в друга. В соответствии с требованиями к 4-му класса воздухопроницаемости согласно EN 13125 суммарная величина зазоров e_tot должна быть ≤ 8 мм. В этом случае вышеупомянутая роллета соответствует 4-му классу согласно EN 13125.

Дополнительное сопротивление теплопередаче ΔR при R_sh = 0,02 (м²•К)/Вт рассчитывается при проведении испытаний методом термокамеры следующим образом (см. табл. 1):

ΔR = 0,8 × R_sh + 0,14 = 0,8 × 0,02 (м²•К)/Вт + 0,14 = 0,16 (м²•К)/Вт

При установке системы временной теплоизоляции на старое окно (Uw = 2,8 Вт/(м²•К)) уменьшение теплопередачи составляет около 0,85 Вт/(м²•К), а при установке такой системы на современное окно согласно постановлению по энергоэффективности 2009 года (Uw = 1,3 Вт/(м²•К)) уменьшение теплопередачи равно около 0,2 Вт/(м²•К). В результате значительно повышается уровень теплового комфорта вечером и ночью. Потенциальное энергосбережение зависит от климата и показано на рис. 7 для других типов окон.  

 
Рис. 6. Объективные показатели, полученные путем измерений  

Энергосбережение в различных климатических регионах

Для точного расчета потенциальной экономии энергии на уровне зданий необходима информация о климатических данных (продолжительность светового дня, температура окружающей среды), конструкции здания и окон (стандарт теплоизоляции, аккумулирующая тепловая емкость), а также об отопительной технике (снижение отопления ночью). Локальные феномены, такие как сильный туман, высокая скорость ветра и образование холодного воздуха в низине, не принимаются во внимание. Учет важных климатических влияний (суммарная радиация, данные о ветре и температуре, а также положении солнца) и климатических данных согласно метеостандарту [10] позволяет точно определить показатель возможного энергосбережения. Согласно EN ISO 13790 имитация факторов, влияющих на здание, основана на модели одной комнаты (DIN EN ISO 13791) и проводится Институтом оконных технологий (г. Розенхайм) для различных климатических регионов.  

Рис. 7. Модель одной комнаты для имитации энергетических характеристик окна согласно EN 13790  

Потенциальное энергосбережение соотносится с площадью окна. Это позволяет не учитывать факторы, относящиеся к зданию, например потери тепла при кондиционировании или внутренние источники тепла, так как эти факторы в одинаковой степени распространяются и на окна, и на солнцезащиту. Влияние тем меньше, чем лучше теплоизоляция здания, окна или стеклопакета.

В примере определяются показатели энергосбережения для Вюрцбурга, Минска, Москвы и Киева. Для этого важно знать, какое окно используется, так как при установке солнцезащиты на окно с более низким показателем Uw снижение теплопередачи будет менее эффективным. По этой причине в ходе исследования были смоделированы параметры для типичных и наиболее распространенных видов окон (табл. 2).

Таблица 2. Окна для оценки систем временной теплоизоляции. Размеры окна – 1,23×1,48 м, доля оконной рамы – 30%

Тип окна		Uw (окно), Вт/м2К	Ug (стеклопакет), Вт/м2К	Uf (рама), Вт/м2К	Коэффициент энергопроница-емости g, %
1	Окно с простым остеклением	4,7	5,9	2,0	0,85
2	Однокамерный стеклопакет без покрытия	2,8	3,0	2,0	0,77
3	Однокамерный стеклопакет с покрытием	1,7	1,3	2,0	0,6
4	Однокамерный стеклопакет с покрытием	1,3	1,1	1,4	0,6
5	Двухкамерный стеклопакет (для энергосберегающих зданий)	0,80	0,7	0,96	0,5

Рис. 8. Энергосбережение при использовании алюминиевой роллеты с Rsh = 0,02 м²К/Вт и 4-м классом воздухонепроницаемости для различных типов окон в Вюрцбурге, Минске, Москве, Киеве в зависимости от класса воздухонепроницаемости (Институт оконных технологий (г. Розенхайм) также может подготовить расчеты для других конструкций и городов)  

Вывод

Роллеты и другие системы внешней солнцезащиты эффективно препятствуют перегреву помещений летом, тем самым обеспечивая значительную экономию энергопотребления системами кондиционирования. Использование подходящих материалов и соответствующая конструкция систем позволяют значительно снизить показатель теплопередачи Uw, в особенности старых окон и стеклопакетов. Помимо энергосбережения системы солнцезащиты значительно улучшают тепловой комфорт внутри помещения, так как температура внутренней поверхности ощутимо растет. Однако это зависит от тщательности проработки конструкции, а также результатов расчета показателя энергосбережения и проведения испытаний на теплоизоляцию признанными испытательными лабораториями. Учет важных климатических влияний (суммарная радиация, данные о ветре и температуре, а также положении солнца) и климатических данных согласно метеостандарту [10] позволяет точно определить показатель возможного энергосбережения. Так, система временной теплоизоляции, установленная на старое окно с простым остеклением, в зависимости от климатических условий позволяет сэкономить более 140 кВтч на 1 м2 площади окна в год (данные для других типов окон показаны на рис. 8). Если общая площадь окон здания равна 30 м2, то ежегодная экономия электроэнергии составит около 4200 кВтч, что соответствует около 420 л жидкого топлива. Установка солнцезащиты на старые окна с однокамерными стеклопакетами (2-й тип) позволит сэкономить 60 кВтч на 1 м2 площади окна в год, т.е. 1800 кВтч на здание. Кроме того, системы временной теплоизоляции повышают безопасность и защиту от взлома.

Список источников

1. [EN ISO 10077. Ч. 1 и 2. Теплотехнические характеристики окон, дверей и жалюзи – Расчет коэффициента пропускания тепла. Изд-во Beuth.
2. EN 13125 Жалюзи и ставни, дополнительное тепловое сопротивление. Размещение указания класса воздухопроницаемости на изделии. Изд-во Beuth.
3. Демель, М. Тезисы магистерской работы. Составление рекомендаций по применению этикеток энергоэффективности в зависимости от региона в Европе. Университет г. Штутгарт, кафедра строительной физики, 2013.
4. EN 14351-1 Окна и двери – Стандарт по продукции, характеристики – Ч. 1: Окна и наружные двери без свойств противопожарной защиты и/или дымозащиты: Собственное изд-во института оконных технологий, г. Розенхайм.
5. Строительство с использованием энергоэффективных солнцезащитных систем: специальный выпуск института оконных технологий.
6. EN 13659 Системы внешней солнцезащиты – Требования к эксплуатационным характеристикам. Изд-во Beuth.
7. ISO 18292 Энергетические характеристики оконных систем для жилых зданий – Процедура расчета. Изд-во Beuth.
8. EN ISO 13790 Энергоэффективность зданий – Расчет энергопотребления при отоплении и охлаждении. Изд-во Beuth.
9. EN ISO 13791 Теплотехнические характеристики зданий – Расчет внутренней температуры комнаты в летнее время без механического охлаждения – Общие критерии и процедуры оценки.
10. Метеостандарт. Версия 7 – Общая база метеорологических данных [Электронный ресурс] Режим доступа: www.meteonorm.com – © METEOTEST, Фабрикштрассе 14, CH-3012 г. Берн, Швейцария.
11. Итоговый отчет по исследовательскому проекту «Временная теплоизоляция окон»: Институт оконных технологий, г. Розенхайм.
12. План действий «Временная теплоизоляция и защита от солнца» IBH 798/09 Проектно-конструкторское бюро проф. д-ра Хаузера, Промышленный союз технического текстиля, роллет и солнцезащиты.

М. Демель, инженер по продукту, строительная физика
Ю. Бениц-Вильденбург, руководитель отдела PR & коммуникации