Введение

В настоящее время в мировом сообществе особо актуальна проблема экономии энергетических ресурсов. Развитые страны в решении данной проблемы делают упор на сокращение удельного энергопотребления и рост использования возобновляемых источников энергии.

Основными факторами, влияющими на развитие в мире возобновляемой энергетики, являются: сокращение запасов топливных ресурсов, увеличение стоимости ископаемого топлива, быстрый рост населения Земли [1], рост энергопотребления, повышение температуры биосферы, необходимость снижения выбросов парниковых газов и многое другое.

С конца XX века можно было наблюдать резкий рост человеческой популяции (рис. 1). К примеру, в 1987 году на Земле жило 5 млрд человек, а в 2019 году численность человечества приближается к отметке в 8 млрд. Одновременно с ростом населения растёт энергопотребление, в результате чего происходит резкое увеличение объёмов выбросов парниковых газов (углекислого газа, метана, оксида азота и т. п.), рис. 2 [2]. По предполагаемым сценариям развития глобального потепления, повышение температуры земной биосферы к 2100 году может составить +5°C [3].

Строительство и эксплуатация зданий и сооружений производят более половины выбросов всех парниковых газов [2]. Таким образом, энергосберегающие технологии в строительстве становятся приоритетной задачей для проектировщиков и строителей.

Кроме того, в связи с действующей госпрограммой «Социально-экономическое развитие Дальневосточного федерального округа» и «Стратегией развития Арктической зоны РФ» развитие и создание новых технологий и конструкций для строительства зданий и сооружений в труднодоступных регионах с экстремальными природно-климатическими условиями становятся необходимыми.

Отличительными особенностями данных регионов являются: экстремальные природно-климатические условия, удалённость от основных промышленных центров, малая плотность населения.

Например, общая площадь регионов, входящих в «Программу освоения земель Дальнего Востока» (Забайкальский, Приморский, Хабаровский и Камчатский края, Республика Бурятия, ЕАО, Республика Саха, Амурская, Магаданская и Сахалинская области, край, Чукотский АО), составляет 6169329 км², а средняя плотность населения по перечисленным областям и республикам составляет 1,0 человек на 1 км². Перечисленные особенности делают развитие подобных «удалённых» территорий затруднительным.

 

Конструкция многослойной фасадной панели

Произведённый анализ современных фасадных решений позволил создать новый тип многослойной фасадной панели (МФП) [4]. Прототипом для многослойной фасадной панели послужил один из трендов европейской архитектуры — климатический фасад или фасад с «двойной кожей» (double-skin facade). Основоположником идеи климатического фасада считается известный архитектор Ле Корбюзье. Предложенная архитектором в начале XX века инновационная идея «нейтрализующей стены» (neutralizing wall) заключалась в создании двухслойного фасада с воздушным зазором, в котором устанавливаются трубки для нагрева и охлаждения воздуха [5].

В настоящее время конструкция двойного остеклённого фасада особо распространена в высотном строительстве.

Мировую известность получили такие здания, как «Сити-Холл» и небоскрёб «Мэри-Экс» в Лондоне, «Коммерцбанк» во Франкфурте-на-Майне и многие другие.

Фасад с «двойной кожей» представляет собой две оболочки из стекла, которые обеспечивают эстетическое оформление и выполняют функцию ограждения. Климатические фасады различаются по многим параметрам: размещению поверхностей двойного фасада, наличию вентиляционных отверстий (без отверстий, с отверстиями, на обоих слоях фасада, только на внутренней поверхности фасада), величине зазора и другим. Климатический фасад может предусматриваться с механической или естественной вентиляцией через запроектированную систему отверстий. Расстояние между слоями фасада составляет от 20 до 200 см.

В общем случае межстекольное пространство — это канал для прохода воздуха, который может сообщаться с улицей, с помещениями и системой вентиляции при помощи открывающихся заслонок. Пространство между слоями служит не только каналом циркуляции воздуха; здесь размещаются электроприводы внутренних и наружных фрамуг, солнцезащитные устройства, трапы-проходы для обслуживания и т. п. [6]. Запатентованная конструкция МФП (рис. 3) представляет собой два теплоизоляционных слоя 1 и 2, соединённых между собой каркасом из перфорированных швеллеров 3, образующих воздушный вентилируемый зазор. Теплоизоляция защищена со стороны вентилируемого зазора и помещения влагостойкими цементными плитами 4, 5 и 6 («Аквапанель KNAUF» или аналог).

С фасада наружный слой теплоизоляции защищён алюминиевым листом 7, который можно окрашивать в любой цвет и придавать ему любую фактуру, меняя таким образом архитектурный облик здания. Современные технологии и оборудование для фотопечати позволяют наносить любой рисунок и текстуру на панели — имитация дерева, металла и т. д. Защитные слои сохраняют теплоизоляцию на протяжении заявленного срока службы, препятствует её разрыхлению, деформации и прониканию влаги внутрь панели, а также служат поверхностью, готовой для внутренней отделки изнутри. Соединение внешнего слоя панели является герметичным за счёт конструкции соединения «паз-гребень».

Каркас, выполненный из перфорированных профилей для беспрепятственного движения воздуха, образует замкнутый воздушный зазор в плоскости фасада здания между двумя слоями утеплителя. Герметичность конструкции стены, выполненной из данных фасадных панелей, позволяет использовать нагретый воздух в зазоре для снижения расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

Многослойные фасадные панели крепятся поэтажно к торцам плит с помощью крепёжного элемента в виде двутавра с рёбрами. В пазы панели, выполненные по углам, заводится крепёжный элемент (рис. 4).

С южной стороны фасада здания на алюминиевый лист МФП предусмотрена возможность монтажа тонкоплёночных фотоэлементов 8 (рис. 3). Невысокая стоимость (от $ 0,25 за ватт), вместе с коэффициентом полезного действия 12–20% модулей третьего поколения и высокой производительностью при рассеянном свете по сравнению с кристаллическими аналогами, делают целесообразным их использование, в том числе и в Уральском регионе, с преимущественно пасмурной погодой. Некоторые виды модулей производят с прозрачностью до 20%, что позволяет применять такие тонкоплёночные батареи на светопрозрачных конструкциях.

Наиболее распространёнными являются тонкоплёночные батареи на основе аморфного кремния с КПД не более 12%. В настоящее время наиболее эффективны тонкоплё- ночные фотоэлементы на основе индия, селена и меди с коэффициентом полезного действия около 20%.

Данную панель можно применять в регионах с различными климатическими условиями, изменяя некоторые параметры: толщины внутреннего и внешнего слоёв теплоизоляции, размеры перфорированного профиля и перфораций, температуру нагнетаемого воздуха в зазор и многие другие.

Преимущество многослойной фасадной панели состоит в значительном снижении ресурсоёмкости и упрощении монтажа фасада, повышении срока службы теплоизоляции, а также снижения энергопотребления здания.

 

Применение МФП в зданиях с комплексом возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Для эффективной работы многослойной фасадной панели может быть использован грунтовый теплообменник (ГТО). Наружный холодный воздух поступает в грунтовый теплообменник, затем поступает в приточно-вытяжную установку, где происходит догрев, и оттуда поступает в помещения (рис. 5а).

Отработанный вытяжной воздух сначала проходит через рекуператор, затем через конденсационный осушитель, после чего поступает в нижней части вентилируемого воздушного зазора фасада. Тёплый воздух в зазоре панелей поднимается наверх, где происходит удаление вытяжного воздуха через вентиляционные решётки в уровне парапета здания.

На аналогичной схеме показано, как тёплый осушенный воздух из вентилируемого воздушного зазора поступает в чердачное пространство, после чего происходит удаление вытяжного воздуха наружу (рис. 5б).

Такая схема представляет собой замкнутый цикл движения воздушных масс, в результате которого весь объём нагретого воздуха для систем принудительной вентиляции направлен на сохранение положительной температуры в вентилируемом зазоре. В качестве источника тепла могут быть использованы градирни при размещении зданий вблизи промышленных предприятий.

В летний период приточный воздух, охлаждённый за счёт использования грунтового теплообменника до температуры грунта, подаётся в воздушный зазор фасада, вследствие чего уменьшается требуемая мощность системы кондиционирования.

На рис. 6 и 7 изображены здания с фасадом из МФП с использованием грунтового теплообменника и тонкоплёночных батарей на южном фасаде. Окна в зданиях (рис. 6) можно выполнять «в пол», оставляя только парапетную панель. Также возможно устройство подоконной части из многослойной фасадной панели (рис. 7), перфорации в несущем каркасе в горизонтальной плоскости не будут препятствовать движению воздуха.

На рис. 8 изображена схема поэлементного монтажа фасада здания. Монтаж панелей 1 начинается снизу вверх, завершает здание парапетная панель 2. Витраж 3 комплектуется замкнутой конструкцией 4, формирующей оконные откосы и узел сопряжения с панелями. На кровлю здания дополнительно устанавливают солнечные батареи 5.

Заключение

Совершенствование ограждающих конструкций зданий является приоритетной задачей для проектировщиков во всем мире. МФП — многослойная фасадная панель с вентилируемым воздушным зазором — может применяться в труднодоступных регионах с децентрализованным энергоснабжением. Заводская сборка панелей и возможность интегрирования ВИЭ в такие здания способствует развитию строительства в малонаселённых регионах, что в настоящее время является актуальной задачей в связи с действующей программой освоения Дальнего Востока и стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации.