Оценка эффективности использования низкоэмиссионного энергосберегающего остекления

Статья посвящена вопросу применения энергосберегающих стеклопакетов. Рассмотрены особенности их конструкции, технология производства. Произведен расчет по оценке экономической эффективности применения данного вида остекления в сравнении с обычным. Выделены основные достоинства энергосберегающих стекол, их технические характеристики.

Ключевые слова: низкоэмиссионные стекла, энергосберегающий стеклопакет, эмисситент, теплотехнический расчет остекления.

 

Мировые тенденции в остеклении современных зданий диктуют максимальную открытость помещения дневному освещению. Помещения, максимально открытые солнечному свету, кроме своих эстетических преимуществ, повышают инсоляцию здания, улучшают самочувствие людей. Но здесь появляется проблема энергосбережения. В настоящее время вопросам энергосбережения и рационального использования энергии уделяется повышенное внимание. Энергоресурсы дорожают, соответственно растут затраты на отопление зданий и сооружений. [1]

Примерное распределение теплопотерь здания изображено на рис.1. Видим, что теплопотери, приходящиеся на остекление, могут достигать до трети всех потерь. А если учесть, что остекление здания составляет большую часть ограждающих конструкций (промышленные здания, торговые и выставочные центры), данная доля может составлять и половину всех потерь тепла.

Рис. 1. Распределение теплопотерь в здании

 

Что касается теплопотерь через окна, на долю прямой теплопередачи, от теплой среды к холодной, через стеклопакет приходится только 30 % от общих теплопотерь через окна. Более 70 % происходят за счет теплового излучения от отопительных приборов, свободно проникающего из помещения наружу через стекла. [2] Возникает проблема: как уменьшить эту долю излучаемых потерь?

Одним из самых эффективных путей снижения теплопотерь является применение энергоэффективного остекления, теплосберегающие свойства которого во многом зависят от стекла, задерживающего тепловое излучение.

Придание энергосберегающих свойств стеклу связано с нанесением на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий, а само стекло с таким покрытием получило название низкоэмиссионного. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового, солнечного излучения, но препятствует выходу из помещения длинноволнового теплового излучения, например, от отопительного прибора (поэтому низкоэмиссионные стёкла ещё называют селективными).

Рис. 2. Действие низкокоэмиссионного стекла

 

Рис.3. Структура низкоэмиссионного покрытия

 

Характеристикой энергосбережения является излучающая способность стекла. Коэффициент теплового излучения является характеристикой поверхности, а не всего тела и это такая же физическая характеристика, как, например, плотность, температура плавления и т. д. Под излучающей способностью стекла (эмиссией) понимают способность стеклянной поверхности отражать длинноволновое, невидимое человеческим глазом тепловое излучение, длина волны которого меньше 16000 Нм. Эмисситент поверхности (Е) определяет излучающую способность стекла (у обычного стекла Е составляет 0,83, а у селективного меньше 0,04) и, следовательно, возможность как бы отражать обратно в помещение тепловое излучение.

Причина возникновения излучения кроется в движении свободных электронов атомов, находящихся на поверхности стекла, и плотности движущихся электронов. Далеко не все металлы, хорошо проводящие электрический ток, обладают свойством отражать длиноволновое тепловое излучение. Такими свойствами обладают благородные металлы — медь, серебро, алюминий.

Следовательно, чем ниже эмисситент, тем меньше потери тепла. При этом стекло с оптическим покрытием, имеющим значение эмисситента Е = 0,004, отражает обратно в помещение свыше 90 % тепловой энергии, уходящей через окно. В настоящее время используется два вида низкоэмиссионных стекол — с твёрдым К и мягким покрытием I.

Твёрдое селективное покрытие наносится из жидкой фазы методом распыления на горячую флоат ленту, после чего отжигается. Достоинством этого покрытия является высокая стойкость покрытия, что, в принципе, позволяет использовать его вне стеклопакетов, а недостатком — более высокий коэффициент излучения (0,1–0,15). По составу — это проводящие оксиды металлов, чаще всего оксид олова, допированный фтором.

Мягкое селективное покрытие наносится на стекло методами магнетронного распыления в вакууме. Достоинством этого стекла является низкий коэффициент излучения (менее 0,1), а недостатком — невысокая стойкость. Но на потребителя это никак не отражается, этот недостаток решается на стадии изготовления стеклопакетов. В открытом виде это стекло использовать нельзя. По составу мягкое селективное стекло представляет собой слоистую структуру с общей формулой оксид-металл-оксид. Главную роль играет тонкая плёнка металла, как раз и обладающая свойством спектральной селективности. Обычно это плёнка серебра толщиной 10–15 нанометров. [3]

Изучив технологию производства и работы низкоэмиссиионных стекол, важно оценить их экономическую эффективность. Произведем расчет на примере проектируемого промышленного здания гальванического производства в г. Самара, для которого особенно важно поддержание температурного режима и зимой, и летом.

Расчет экономической рентабельности

Цель расчета: необходимо расчитать и сравнить экономические затраты на отопление корпуса, приходящееся только на долю теплопотерь через два варианта остекления промышленного здания в городе Самара (рис.4) за расчетный период (10 отопительных периодов), а также сравнить себестоимости данных стеклопакетов. Тепловые потери от остальных ограждающих конструкций условно отбрасываем, считая что для обоих вариантов остекления они идентичны. Важно сравнить экономическую эффективность от использования двухкамерного остекления из обычного стекла (в расчете с индексом 1) с низкоэмиссионным i-стеклом (в расчете с индексом 2).

Рис. 4. Проектируемый корпус гальванического производства

 

Исходные данные:

Размеры в осях: 138мх60м

Строительный объем: 86 000 м3

Общая площадь остекления F=3400 м2

Район строительства — г. Самара

Условия эксплуатации ограждающих конструкций — нормальный

Влажностный режим помещений зданий — нормальный

Тип здания — промышленное отапливаемое

Расчетный период оценки экономической эффективности — 10 лет (10 отопительных периодов)

Расчет:

Определяем требуемое термическое сопротивление теплопередаче для ограждения из условия энергосбережения из СП 131.13330.2012

ГСОП=(tв — tот. пер.) ∙ zот. пер. [°C ∙ сут]

где

tв –расчетная температура внутреннего воздуха

tв = 20°C

tот. пер –средняя температура отопительного периода из СНиП 23–01–99 табл.1

tот. пер= -5,2 °C

zот. пер –продолжительность отопительного периода из СНиП 23–01–99 табл.1

zот. пер= 203 дня

ГСОП=(20+5,2) ∙203=5115. [°C ∙ сут]

Rтро=аГСОП+в, [м2∙°C/Вт], где

а=0,000075

в=0,15 (Таблица 3 СП 50.13330.2011)

Rтр=0,000075*5115+0,15=0,50 [м2∙°C/Вт],

Принимаю требуемое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции (остекления) Rтр =0,50 [м2∙°C/Вт]

Теплотехнические характеристики выбранных типов остекления удовлетворяют условию Rфакт.>=Rтр (табл.1)

Таблица 1

Теплотехнические характеристики выбранных типов остекления

 

* 4M1 -16–4M1 -16–4M1, где — 4 — толщина стекла, мм; М1- марка стекла; 16- расстояние между стеклами, мм; И или К — тип низкоэмиссионного стекла.

** Стоимость указна с НДС [http://steklopaketoff.ru/price]

Расчиатаем теплопотери через данные типы остекления:        

Теплопотери через ограждающие конструкции при расчетной температуре определяются по формуле:

N=1/R*(tв- tн)•n•F(1+∑β) [Вт]

где

R- термическое сопротивление

tв=20°C температура внутри помещения

tн=-30°C расчетная температура наружного воздуха

n=1,25 коэффициент, который зависит от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху

F=3400 м2 площадь ограждающей конструкции

β=0,1 коэффициент учитывающий добавочные теплопотери через ограждение

Получим:

N1=404 952,83 Вт

N2=311 050,72 Вт

Рассчитаем количество теплоты, необходимого для возобновления (компенсации) данных потерь в течение одного отопительного периода, равного 203 дн.

Q=N*t

N-мощность теплопотерь (Вт0

t-время расчетного периода(с)

N1=404 952.83Вт*203дн*24ч*60мин*60с=         7 102 548,68 МДж

N2=311 050,72Вт*203дн*24ч*60мин*60с=5 455 580,87 МДж

Отопление проектируется от газового котла индивидуального теплового пункта. Рассчитаем объем газа, необходимого для выделения рассчитанного тепла.

Для этого определим теплоту сгорания газовой смеси, характерного по составу для Самарской области.        

Таблица 2

Расчет газовой смеси

Газ	yi %	pi, кг/м3	yipi, кг/м3	Qнp, МДж/м3	Qнpyi	lн	lв	y/lн	y/lв
CH4	93	0,717	66,662	35,76	3326	5	15	18,600	6,200
C2H6	3,1	1,356	4,204	63,65	197,3	3	12,5	1,033	0,248
C3H8	0,7	2,004	1,403	91,14	63,8	2	9,5	0,350	0,074
C4H10	0,6	2,702	1,621	118,53	71,12	1,7	8,5	0,353	0,071
C5H12	0	3,457	0,000	146,18	0	1,35	8	0,000	0,000
CO2	0,1	1,977	0,198
N2	2,5	1,251	3,128
Сумма	100	ρ(смеси)=	0,772	Q(смеси)=	36,58	МДж/м3		20,336	6,592

 

Таким образом

Qгаза=            36,58МДж/м3

Рассчитаем объем газа, необходимого для выделения рассчитанного тепла

V1=Q1/(Qгазах0,9)= 215 738,68 м3

V1=Q1/(Qгазах0,9)= 165 712,32 м3

Цена газа в г. Самара на 01.01.2015г с₀.=4,81руб/м3 с НДС

Стоимость компенсации теплопотерь, приходящихся на остекление, за один отопительный период равен

С_экспл.= V_газа*с₀

С_1экспл=1 037 703,03 руб.

С_2экспл=797 076,24 руб.

Сумма переплаты при использовании двухкамерного остекления из обычного стекла в сравнении с низкоэмиссионным стеклом за один отопительный период:     dC₀=240 626,79 руб.

За расчетный период (10 лет) с учетом размера средней инфляции 8 % данная переплата составит:

dC_расч=240 626,79 *(1+1,08+1,08²+1,08³+1,08⁴+1,08⁵+1,08⁶+1,08⁷+1,08⁸+1,08⁹) = =3 485 855,02 рублей

За 10 лет использования экономическая выгода использования энергосберегающих стекол весьма значительна.

Стоимость стеклопакетов

С_{1себест}=3 672 000,00 руб.

С_{2себест}=4 080 000,00 руб.

Видно, что себестоимость низкоэмиссионных стеклопакетов выше обычных. Однако уменьшение затрат на отопление окупают применение энергосберегающего остекления всего за 345 дней.

Срок окупаемости = (С_2экспл — С_1экспл)х203дн/ dC₀=345дней

Вывод расчета: при себестоимости энергесберегающих стеклопакетов, превышающих себестоимость обычных стеклопакетов на 408 000 руб., экономия на затраты отопления за 10 лет эксплуатации здания составляют 3 485 855,02 руб. [4–7]

Таким образом, рассмотрев и изучив особенности низкоэмиссионных стеклопакетов, можем смело выделить следующие их преимущества:

1.                 Первое достоинство — невысокая себестоимость. Стеклопакеты с энергесберегающим покрытием с аналогичной конструкцией (количество камер) превышают в цене обычные стеклопакеты в среднем всего на 100–150 руб/м2.

2.                 Экономическая эффективность эксплуатации. При длительном использовании позволяет сэкономить на отоплении свыше 3 миллионов рублей, которые можно вложить в развитие или расширение производства.

3.                 Высокая энергоэффективность стеклопакетов, теплопотери здания через которые согласно расчету уменьшаются на 30 % по сравнению с обычным стеклом.

4.                 Благодаря высокотехнологичному покрытию «умное» остекление работает в двух направлениях: зимой сохраняет тепло в помещении, а летом задерживает жару снаружи.

5.                 Значительно меньшая масса — 20кг/м2 против 30кг/м2 –которая позволяет уменьшить вес конструкций.

6.                 Благодаря более низкой пропускаемости УФ-излучения защищает внутренний интерьер здания от выцветания.

7.                 В сравнении с обычным стеклопакетом на низкоэмиссионных стеклах не выступает конденсат.

И это не все достоинства энергосберегающего остекления, которое действительно можно отнести к одним из самых высокоэффективыных энергосберегающих строительных материалов и конструкций. Несмотря на такие высокие показатели технических характеристик, внедрение этих стеклопакетов в жизнь идет не быстрым ходом. Проблемы внедрения и реализации этих материалов в первую очередь связано с изъянами рыночных отношений: заказчику чаще выгодно как можно быстрее и дешевле возвести дом и как можно за большую сумму продать. А о том, как будет обитателям этого здания или сооружения находится в нем, эксплуатировать его и во сколько это ему будет обходиться, это уже сугубо его дело. [8]  Однако очень важно при проектировании здания на дальнейшую его экономичную эксплуатацию провести анализ выбора тех или иных материалов, сделать необходимые расчеты потерь тепла. Ведь грамотный расчет теплопотерь помещения — залог повышения уровня жизни и условий проживания населения, комфортного и благоприятного для человека климата в современном помещении в наше время, а также достижение долговременной экологической безопасности города. [9]

 

Литература:

 

1.                  Информационная статья «Низкоэмиссионное стекло» компании «Окна-Питер», режим доступа: http://www.okna-piter.ru/articles/nizkoemissionnoe.html

2.                  Обзорная статья «Энергосберегающие, низкоэмиссионные стекла», режим доступа: http://www.otk-remont.ru/okna/2okna3.html

3.                  Рубрика электронного строительного справочника «Novosibdom.ru» на тему «Низкоэмиссионные энергосберегающие стёкла», режим доступа: http://build.novosibdom.ru/node/110

4.                  СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

5.                  СП 131.13330.2012 «Строительная климатология».

6.                  СП 23.101–2004. «Проектирование тепловой защиты зданий».

7.                  Справочник по газоснабжению и использованию газа./Н. Л. Стаскевич, Г. Н. Северинец, Д. Я. Вигдорчик — Л.: Недра, 1990.

8.                  Article «The latest and current heat insulation materials»/ collection «All-Russian student academic conference with international participation» / Grigoriev E. J. — April 22–26, 2013, Izhevsk, Russia — page 342

9.                  Грахов В. П., статья «Инвестиционно-строительный комплекс города Ижевска: итоги и перспективы», журнал экономическое возрождение России № 2(12)», 2007г. стр.43