Чтобы в доме было тепло и прохладно

Четверть энергии, производимой в стране, потребляют наши жилища и коммунально-бытовые предприятия. Растет население, увеличиваются число и размеры квартир, высота зданий, и с ними растут расходы топлива на поддержание комфортных условий в жилищах.

О высоте упоминается не случайно. Потери тепла пропорциональны поверхности здания. Чем больше поверхность, тем больше потери тепла. Значит, самый выгодный дом должен быть в виде шара. У него наименьшее отношение поверхности к объему. Внутри можно разместить много комнат. Однако жилым такой дом делать нельзя: внутренние комнаты не будут иметь доступа к дневному свету. Поэтому архитекторы и стараются часть помещений, в которых необязателен дневной свет (коридоры, ванные, санузлы, шахты для лифтов, лестничные клетки), размещать в центральных частях зданий.

Через наружные стены уходит до 40 процентов тепла. Тут никаких хитростей не придумаешь; нужно просто увеличить термическое сопротивление стен. Делать это можно по-разному. В ряде стран используются трехслойные панели: между двумя железобетонными плитами располагается теплоизоляция. Потери тепла в этих панелях уменьшаются не менее чем в полтора раза.

У нас в стране пока такие панели не делают. Указываются две причины. Архитекторы и строители не удовлетворены теми решениями, которые предлагаются для соединения таких панелей между собой. Другая причина - и более простая, и более сложная - нет достаточного количества хороших теплоизоляционных материалов. Более простая потому, что организовать достаточно масштабное производство теплоизоляции можно и трудностей здесь нет. А вот сложная оттого, что теплоизоляционных материалов мало и они очень дороги, тогда как такая тепловая изоляция нужна не только домам: ждут ее трубопроводы с горячим теплоносителем, всевозможные печи, химическое и технологическое оборудование, автомашины, самолеты и зимняя одежда. Это важнейшая проблема. Решить ее - дело исследователей разных специальностей. Внесли и внесут свой вклад даже биологи.

В далекой северо-восточной точке нашей страны, на реке Колыме, есть единственный в мире стационар для оленей - Рангифер. Ученые Магаданского института биологических проблем Севера изучают секреты оленя. Каким образом он, единственная зимняя пища которого всего-навсего - подснежный ягель, способен пережить суровую зиму Севера? Тайн здесь много, не все они еще раскрыты. Но вот один из выводов: у северного оленя идеальная тепловая изоляция. Его мех состоит не из сплошных волосков, а из полых. Если величину теплоизоляции у оленя принять за 10 единиц, то по сравнению с ним белка просто раздета - всего 3 единицы. Но и это не все. Зимой кончики волосков как бы разбухают, утолщаются и не пускают холодный воздух к коже. Мех становится тепловой броней. Есть чему поучиться человеку!

Использовать хорошую тепловую изоляцию можно по-разному: наклеить на стены теплоизолирующие обои (так делают в ФРГ) или разместить ее снаружи, закрыв защитными листами (так поступают в Англии). У нас при реконструкции домов на стены напыляют смесь асбеста, минеральной теплоизоляции и цемента.

Одни из наиболее емких потребителей теплоизоляции - теплотрассы. Таких трубопроводов у нас в стране более 200 тысяч километров. Изоляция для них должна быть прочной и не разрушаться, пока трубы везут с завода. Она должна защищать металл от коррозии и не поглощать влагу. Пока еще нет удовлетворительных решений всех этих задач. Иногда изоляцию делают многослойной: один слой теплоизоляционный, другой просто изоляционный, третий - прочный. (Такие теплотрассы очень дороги. Например, один ее километр от атомной станции теплоснабжения мощностью миллион киловатт стоит пока около миллиона рублей.)

Теплопровод укладывается в специальный гидроизолированный канал с бетонными или кирпичными стенками. Однако все же грунтовые воды довольно быстро проникают в канал, изоляция намокает и разрушается, потери тепла возрастают в несколько раз. По оценкам Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института энергетики, в промышленности только по этой причине ежегодные потери достигают 10-15 миллионов тонн условного топлива, то есть около 5 процентов тепла, требующегося для обогрева жилья и коммунально-бытовых предприятий. Неудивительно, что с этими потерями борются все и всюду. Но ведь это так и нужно: не везде оптимальные решения должны быть одинаковыми.

Вот известия из Кирова. В фенолформальдегидные смолы для вспенивания добавляют местное сырье - отходы сланцевой промышленности - гидрохлорид. В качестве наполнителя используют мелкую щепу - отходы фанерного шпона. Получается теплоизоляция с хорошими свойствами. В Тюменской области теплоизоляция - дефицитный материал. Вязкость тюменской нефти при низкой температуре велика, и чтобы ее перекачать, нужно подогреть. Поэтому нефтепровод изолируется. Необходимо изолировать и газопроводы. В общем, изоляция нужна. А минеральных ископаемых для производства изоляции в Тюмени нет. В Тюменском институте изоляционных материалов нашли выход: на основе торфа, имеющегося в избытке вокруг промыслов, научились получать теплоизоляционные материалы. Из смеси торфяной крошки, жидкого стекла, золы топок получили гранулы для изготовления теплоизоляционных материалов. Из торфяной крошки и обычных невспенивающихся глин стали производить керамзит - заполнитель легких бетонов.

Во многих районах теплоизоляция производится из материалов, имеющихся в изобилии вокруг. Попыток было много. Однако различные виды армопенобетона, битумоперлита, фенольного поропласта быстро увлажнялись, старели. Сейчас по способу, разработанному во ВНИИэнергопроме, строятся цеха для производства труб диаметром 300-400 миллиметров, покрытых изоляцией из пенополимербетона. Создателям удалось сделать изоляцию с закрытой пористостью. Поры в материале обусловливают хорошие теплоизолирующие свойства, но если они соединены между собой, то такой материал подвержен быстрому увлажнению.

При создании изоляции смесь готовится в стандартном растворосмесителе и заливается в форму, в которую уложена труба. После процесса вспенивания в течение получаса оболочка остывает и твердеет. Процесс полимеризации завершается через несколько суток.

Если надежды, связанные с этим способом создания изоляции, оправдаются, это будет большим успехом в деле экономии энергии и создания дешевых средств передачи тепла на большие расстояния.

Атака на материалы продолжается. Сообщение из Польши - "Огнеупорная броня". Польские ученые создали материал, который по теплоизоляционным свойствам в 600 раз лучше огнеупорного кирпича. Это пористая угольная пена. Она не горит и легко обрабатывается На воздухе легко выдерживает температуру до 300 градусов Цельсия.

Газета "Социалистическая индустрия" в заметке "Черный снег" сообщает, что в институте электроугольных изделии разработан способ получения "вспученного", или термически расщепленного, графита. Графитовые частицы, прошедшие специальную обработку серной кислотой под действием теплового удара, взрывообразно вспучиваются, увеличиваясь в объеме в 100- АЮ раз. Из этого материала можно получить почти невесомые толстые теплоизоляционные плиты, выдерживающие в бескислородной среде температуру до 3 тысяч градусов Цельсия.

Чтобы в доме было тепло и прохладно

Такой поток сообщений и радует и настораживает Часто желаемое выдается за достигнутое. А ведь любой научный вывод требует многократной проверки "на прочность" Скажем, материал с теплопроводностью, меньшей в 600 раз теплопроводности огнеупорного кирпича должен быть лучшим теплоизолятором, чем воздух. А такое вряд ли возможно. Но это, пожалуй, другая тема, которую развивать здесь мы не собирались. Вернемся в квартиру.

Любое здание должно вентилироваться. В жилых домах это происходит за счет естественной конвекции воздуха. Дом - как тяговая печная труба: снизу через лестничные клетки, через различные неплотности в него поступает холодный, а главное, свежий воздух а через специальные вентиляционные каналы из здания выходит грязный и подогретый. Понятно, с ним уходит и тепло, но с этим почти ничего не сделаешь. Кухни, ванные, санузлы нужно вентилировать. Использовать это уходящее тепло в жилых зданиях и камеральных административных помещениях пока неэкономично. Нужно, только позаботиться, чтобы вентиляция не была избыточной, то есть чтобы не уходил липший подогретый воздух.

Если же говорить о промышленных зданиях и цехах, то картина меняется. Здесь количество выбрасываемого тепла с вентиляцией возрастает, поскольку интенсивность замены воздуха часто должна быть очень высокой. В первую очередь это относится к производствам, технология которых связана с сильным загрязнением воздуха. Здесь становится выгодным организовать отбор тепла от выбрасываемого из цеха воздуха и подогревать его при входе.

Есть и такие виды технологий, для которых целесообразно организовать полную замкнутую систему циркуляции воздуха.

Во многих гостиничных и административных помещениях, в которых воздух почти не загрязняется, а также в промышленных зданиях со специальной технологией, требующей воздуха особой чистоты, целесообразно организовать замкнутые системы циркуляции воздуха с его очисткой, охлаждением или подогревом. Здесь также нужно предусматривать регенерацию тепла зимой.

Через окна в наши дома вливаются свет и воздух. А зимой через эти же окна уходит до 40-50 процентов тепла. Как уменьшить эти потери? Ранее наши предки просто делали маленькие окошки. Сейчас - напротив. В некоторых административных зданиях стены состоят целиком из стекла. Отдельные архитекторы утверждают, что это не только светло, но красиво и дешево. Спору нет. Но летом жарко и душно. А зимой? Потери тепла возрастают многократно. Следовательно, остекление должно быть оптимальным, и здесь недопустимо шараханье. Сейчас выработана такая норма: площадь окон не должна быть больше 15 процентов площади комнат. Оптимальна ли такая норма с точки зрения создания комфортных условий?

Время покажет. Сейчас же идут поиски способов, применив которые можно несколько примирить противоречивые требования к размерам остекления. Один из них - создание трехслойных окон. При этом световой поток немного уменьшится, ухудшатся условия эксплуатации, но потери тепла через окна уменьшатся на одну треть.

Это предложение родилось давно, но сам я трехслойных окон еще не видел. Хотя обещания ответственных за это лиц применять их читал. Конечно, такие окна дороже. Но у них есть еще одно качество, ценное для больших городов: уменьшение шума в административных и жилых помещениях. Вот в этих городах мы и должны в первую очередь увидеть такое новшество. Да и жители сурового климата не откажутся от него.

Рождаются и новые идеи. Несколько лет назад на конкурсе по экономии энергии, проводившемся за рубежом, победило изобретенное нового вида стекло, которое, свободно пропуская подавляющую часть светового спектра, не дает уходить из помещения тепловому излучению. С помощью таких стекол комнаты превращаются в хорошие ловушки для солнечной энергии. Достигается это специальной обработкой, называемой металлизацией стекла.

Изобретение получило широкое признание зарубежных специалистов. А ведь, по сути дела, оно было сделано у нас в стране более трех пятилеток назад. Более того, две пятилетки назад наша промышленность уже выпускала "теплое" стекло. Это обычное стекло, покрытое тонкой пленкой из двуокиси олова, резко уменьшало поток тепла из комнат. Эксперимент, проведенный в 1974 году на одной из новостроек Москвы, показал, что при установке в доме этих стекол поток тепла уменьшился вдвое.

К сожалению, сейчас такие стекла не выпускаются. Как сказано в одной из статей журналистки Л. Великановой в "Литературной газете", проводившей обсуждение проблем по экономии энергии, "секрет его изготовления утрачен". Звучит анекдотично, но близко к истине. Министерство промышленности строительных материалов до сих пор не развернуло промышленного изготовления подобных стекол. А зарубежные проспекты рекламируют: "Покупайте теплоотражающее стекло "термоплюс".

Теперь - об экономике. Поскольку стекло не выпускается, то и стоимости его нет. Но в уже упомянутой статье одно число приведено. Дополнительные затраты составляют 25 копеек на квадратный метр стекла. Приняв, что на десять квадратных метров площади помещения достаточно 1,5 квадратного метра окна, получим, что в пересчете на один квадратный метр площади дополнительные затраты составят около 3 копеек. Расходы тепловой энергии на тот же квадратный метр помещения существенно зависят от климатических условий. Возьмем некоторую среднюю величину расхода, скажем, 50 килограммов условного топлива в год. Если "теплое" стекло сэкономит 15 процентов, то есть 7 килограммов в год, то только по стоимости топлива это дает около 20 копеек, а с учетом всех других затрат на производство энергии - 30 копеек на квадратный метр зданий.

Вернемся к жилым домам. Большинству знакома такая ситуация: светит солнце, температура на улице начала подниматься, радиаторы в комнатах тоже горячие, и сверх нормы начинает расти температура. Единственный выход - открыть форточку или даже окно и выпустить тепло наружу.

Работа системы обогрева жилых помещений городского микрорайона не так проста, как кажется на первый взгляд. Распределение горячей воды отрегулировано на определенный тепловой оптимум. Но вот условия изменились. Подул ветер - значит, в одних квартирах стало прохладнее, вышло яркое солнце - в других стало теплее. И если на теплоэлектростанции вдвое уменьшить расход горячей воды, то это не значит, что во всех квартирах температура уменьшится во столько же раз. Все будет сложнее, и в разных точках системы подвод тепла изменится разным образом.

Все это говорится для того, чтобы было понятно, что только регулированием расхода горячей воды, отпускаемого котельной или теплоэлектростанцией, создать нужное распределение тепла невозможно. Квартиры находятся в разных условиях.

Решение как будто бы лежит на поверхности. Нужно установить регулятор расхода горячей воды в каждой квартире, а еще лучше - в каждой комнате: ведь иногда в квартире одни окна выходят на юг, а другие на север.

Такой регулятор должен состоять из регулирующего вентиля, его электропривода, датчика температуры и релейного устройства, дающего команду на включение и выключение двигателя. Перечислен, конечно, очень упрощенный набор. Создать его нетрудно даже из выпускаемых нашей промышленностью узлов.

Необходимость установки автоматических регуляторов в некоторых странах уже диктуется законом.

Несколько лет назад в Москве в Доме дружбы с народами зарубежных стран проходил советско-итальянский симпозиум по энергетике. На одной из секций речь шла об энергетической политике в странах, в частности об экономии энергии. Итальянские коллеги познакомили нас с вышедшим в Италии законом по экономии энергии при отоплении помещений. Передо мной этот документ: закон № 373 от 30 апреля 1976 года. Вот два пункта из этого закона.

"Проектируемая температура воздуха в отапливаемых помещениях не может превышать 20 градусов, за исключением помещений, предназначенных для специального использования, где требования к более высокой температуре должны быть тщательно обоснованы в проекте".

Пункты, подобные этому, существуют и в нашем законодательстве для проектантов - СНИП (строительные нормы и правила). Этими же правилами оговариваются и требования к тепловой изоляции зданий различного назначения.

Но вот следующего пункта, содержащегося в итальянском законодательстве, у нас пока нет. Звучит он так: "Обязательное (!) автоматическое регулирование тепла, подаваемого в использующие приборы, чтобы его количество соответствовало наружной температуре. Такое автоматическое регулирование обязательно для новых устройств с тепловой мощностью топки не менее 50 тысяч ккал в час и для существующих устройств с мощностью не менее 100 тысяч ккал в час".

В этой статье закона очень важное место - число "50 тысяч ккал в час". В чем смысл этого предела?

А вот в чем. Скажем, на обогрев одной комнаты при мощности радиаторов 1500 ккал в час в год будет истрачена одна тонна условного топлива. Установив регулятор, мы сэкономим 20 процентов топлива, то есть 5- 10 рублей в год. А регулирующее устройство обойдется в несколько сот рублей. Такая дорогостоящая экономия топлива нецелесообразна. Выход, хотя и частичный, все же есть. Проводить регулирование не для одной комнаты или квартиры, а для нескольких квартир. Скажем, для одной стороны дома - южной - один регулятор, для другой - северной - другой. Большая часть экономии может быть получена даже при подобном коллективном регулировании.

Примерно такой подход к экономии топлива за счет автоматического регулирования принят и в нашей стране. В Москве уже действуют более 100 автоматизированных центральных тепловых пунктов отопления и пунктов пофасадного регулирования.

А как же быть с отдельными квартирами, комнатами? Пока использовать автоматическое регулирование невыгодно, а вот обычное, ручное, необходимо. И то, что этого мы делать не можем из-за плохого качества регуляторов на батареях отопления или даже отсутствия их в новых конструкциях, не украшает ни проектантов, ни строителей.

Насколько разнообразны источники потерь тепла, настолько и различны пути его экономии. Иногда они неожиданны и требуют технических средств, а иногда почти беззатратны.

Обнаружено, что в больших по площади и высоких помещениях (залах, библиотеках, кинозалах, театрах) прохладно, несмотря на, казалось бы, достаточное количество источников тепла. Происходит это по понятной причине - горячий воздух уходит вверх. Разница температур внизу и под потолком достигает 10 градусов. Если организовать циркуляцию воздуха с помощью специальной системы вентиляторов, можно сэкономить до 30 процентов энергии.

Во многих административных зданиях существенной экономии тепла можно добиться, ограничивая подогрев помещения ночью и восстанавливая его к утру. Более того, на субботу и воскресенье можно снижать подачу тепла и в некоторые неработающие предприятия. Подсчеты показывают, что так можно сэкономить до 15 процентов топлива. Разработаны микроэлектронные устройства, которые должны управлять регуляторами тепла по заданной программе.

Древнегреческому драматургу Эсхилу принадлежат слова о том, что цивилизованные народы отличаются от варваров тем, что их дома "обращены лицом к солнцу".

Способов использования солнца для того, чтобы в доме было тепло и прохладно,- множество. О части из них мы уже говорили. Для получения горячей воды такие системы используются сейчас довольно широко. Во многих зонах страны полезно сочетание котельных установок с солнечными водонагревателями. В симферопольской гостинице "Турист" солнечные водонагреватели на 40 процентов сократили расход топлива.

В США таких солнечных коллекторов смонтировано около двух миллионов квадратных метров. А чтобы система работала и в пасмурные дни, в индивидуальных домах монтируют аккумуляторы тепла. Это баки с водой емкостью 1-2 кубических метра. Накопленного в них тепла хватает на несколько дней. Такие системы существуют и у нас в стране.

И все же использование солнечной энергии для отопления довольно сложно. Главная проблема очевидна: солнечная энергия нужна для отопления не летом, а зимой, когда солнце светит слабо и тепла его не хватает. Значит, трудности в том, чтобы отыскать экономичный способ длительного хранения тепла: от жарких летних дней до зимних.

Чтобы в доме было тепло и прохладно

Рассматриваются различные системы аккумулирования тепла: горячую воду закачивают в скальные пещеры, бурятся скважины, и в них закачивается вода, которая разогревает скальные породы, или закачивается в водоносные горизонты, подогревая в них воду летом и отбирая зимой. Предлагается также использовать стальные теплоизолированные баки с водой. В общем, в разных условиях могут оказаться выгодными различные системы.

Нужно сказать, что перечисленные проекты существуют не только на бумаге. В Швеции построено и эксплуатируется около 15 таких систем - сообщил делегат этой страны на заседании рабочей группы по аккумулированию солнечного тепла, действующей под эгидой ЮНЕСКО. Эта встреча проходила в 1985 году в Институте высоких температур Академии наук СССР.

Среди этих систем: скальная пещера объемом 100 тысяч кубических метров для теплоснабжения 500 домов; заполненный водой теплоизолированный котлован, обеспечивающий 65 жилых домов; на крышке теплоизолятора, плавающего на воде, расположены параболоцентрические коллекторы, отслеживающие положение солнца и нагревающие воду. По подобному проекту намереваются построить и в нашей стране (в городе Судаке) станцию теплоснабжения жилого дома.

В Физико-техническом институте Академии наук Узбекской ССР исследуются водоемы, заполненные рассолами разной концентрации. Самый плотный и тяжелый раствор располагается у дна. Температура воды в нем поднимается до 90-95 градусов. Если отделить этот нижний слой прозрачной пленкой, то температура его поднимется еще на 5 градусов. Такие солнечные бассейны могут сохранять тепло несколько месяцев. Воду из них можно направлять как на отопление, так и на абсорбционную холодильную машину.

Кроме воды, в качестве теплоаккумулирующего вещества предлагается использовать другие материалы, в которых можно использовать теплоту фазового перехода. Например, в США были проведены исследования по применению глауберовой соли, которая, плавясь при 38 градусах, поглощает энергию, а кристаллизуясь - отдает ©е. Однако оказалось, что глауберова соль после многих циклов "плавление - затвердевание" меняет в худшую сторону свои теплофизические свойства.

Поиски лучшей системы продолжаются. Большой интерес вызывают у исследователей системы хемотермической аккумуляции. Тепловая энергия здесь используется для проведения химических реакций с поглощением тепла. Полученные вещества могут долго храниться, а затем реакцию можно провести в обратном направлении с образованием исходных веществ и выделением энергии. Один из возможных вариантов - растворение аммиака в воде (выделение тепла), а затем разгонка раствора аммиака (поглощение тепла).

Еще одна область применения энергии Солнца - солнечные кондиционеры. Пока они не распространены. Американские исследователи полагают, что до 1990 года они не будут достаточно экономичными.

Не менее дорого обходится и охлаждение помещений жарким летом. Предлагается использовать для этих целей ветер. Но технологическая цепочка при этом получается длинная и сложная: сначала строится ветроэлектростанция, а потом - кондиционер. Нельзя ли все это упростить?

Вот пример из давней истории. Археологи обнаружили в древнеиндийском городе Мохенджо-Даро, существовавшем на рубеже третьего и второго тысячелетий до нашей эры, странные сооружения для отлова ветра: на плоских крышах высоких домов без окон находились какие-то шкафы. Такие же дома были изображены на сохранившихся глиняных печатях. Однако местных рабочих, набранных в экспедицию, эти сооружения не удивили.

- Это для ветра. Чтобы в доме было прохладно,- пояснили они и пригласили в ближайший город Тхатту. Там были такие же дома со шкафами на крыше. В шкафах были отверстия, обращенные в сторону моря.

- Мангх,- объяснил один из рабочих,- ветер ловит.

Отверстия могут открываться и закрываться в зависимости от направления и силы ветра. Воздух поступает в низкую чердачную каморку, где установлены глиняные плоские чаны с водой. Когда сухой горячий воздух попадает в помещение, он насыщается влагой, охлаждается и через систему отверстий, пробуренных в толстых стенах, опускается в жилые помещения. При сорокаградусной жаре в домах царит приятная прохлада.

Вот еще один способ создания комфортных условий в жилищах: зеленые насаждения. Американские исследователи выяснили, что деревья не только очищают воздух, но и снижают его температуру. Если деревья посадить вблизи кондиционеров, то расход энергии в них уменьшается на 10-20 процентов. Довольно неожиданный факт! Исследователи не сообщают причины. Думаю, что охлаждение воздуха вызывается процессом испарения воды, высасываемой деревьями из почвы.