Инженерное обеспечение квартиры энергоэффективного здания

Козлов Игорь Михайлович

инженер-архитектор

Разработано принципиальное решение инженерных систем жизнеобеспечения квартиры, обеспечивающее максимальную теплоизоляцию при вентиляции, утилизацию теплоизбытков, эффективную схему восполнения теплопотерь, автоматическое управление освещением и полный учет всех потребляемых ресурсов.

Введение

Энергоэффективность здания достигается за счет эффективности теплоизоляции ограждающих конструкций и эффективности инженерных систем, обеспечивающих восполнение потерь тепла и ассимиляцию теплоизбытков при поддержании заданных параметров микроклимата в помещениях. Под эффективностью понимается отношение выхода полезного продукта к затратам материальных или энергетических ресурсов на его получение. Как правило, эффективность сопряжена с увеличением капитальных затрат на этапе внедрения для достижения эффекта в будущем. В случае неоптимального решения начальные затраты могут быть настолько большими, что даже существенный эффект в будущем теряет свою привлекательность.

Цель

С целью отыскать вариант оптимального решения для повышения энергоэффективности жилого здания была предпринята попытка комплексного подхода, включающего архитектурно-планировочные решения [1-3], конструктивное решение, определяющее технологию строительства [3, 4], и инженерные решения [5, 6]. В настоящей работе освещается часть исследования, относящаяся к инженерным системам жизнеобеспечения квартир. Основная цель, которая преследуется в работе — дать принципиальное решение инженерных систем и показать на информационной модели его реализуемость в рамках принятых ранее архитектурно-планировочных и конструктивных решений.

Постановка задачи

Особенностью принятых конструктивных решений является применение технологии монолитного строительства с использованием мелкоштучной несъемной опалубки (блоков) для стен и несъемной опалубки из бетонных плит, армированных треугольными каркасами, для перекрытий. Особенность архитектурно-планировочных решений заключается в организации пристроенной автоматизированной парковки (рис. 1), решении планировок этажа жилых секций (рис. 2), учитывающих конструктивные и инженерные требования. В состав помещений квартир введена комната небольшой площади, но с естественным освещением. С одной стороны это позволяет приблизить форму сечения здания к кругу, что положительно сказывается на показателе компактности [7, п.5.14-15]. С другой стороны, такое помещение увеличивает комфортность проживания, поскольку его функциональное назначение не ограничивается возможностями темных помещений (кладовая, гардеробная), но может быть использовано в качестве кабинета, детской/игровой, тренажерной, библиотеки и др.

Рис. 1. Архитектурно-планировочное решение: пристроенная автоматизированная парковка

Рис. 2. Архитектурно-планировочное решение: план типового этажа жилой секции.

Поскольку на данном этапе необходимо получить принципиальное решение, достаточно будет рассмотреть инженерное обеспечение одной квартиры.

К рассматриваемым инженерным систем жизнеобеспечения квартиры относится:

- водоснабжение холодной водой,

- водоснабжение горячей водой,

- канализация,

- вентиляция,

- отопление (компенсация теплопотерь),

- кондиционирование (отвод избытков тепла),

- электроснабжение,

- мусороудаление (центральный пылесос),

- информационное обеспечение и автоматизация.

Строительные конструкции

При проектировании инженерных систем необходимо учитывать особенность строительных конструкций.

Технология строительства — монолитная с мелкоштучной несъемной опалубкой. Несущие стены возводятся из полистиролбетонных блоков с вертикальными отверстиями в которых устанавливается арматура и производится заполнение тяжелым бетоном для образования несущих колонн. Высота блока 300 мм. Через 300 мм по высоте производится горизонтальное армирование. Снаружи стены отделываются термоизоляционной штукатуркой, изнутри — двумя слоями стекломагнезитовых листов вразбежку на клею и саморезах. Шаг между колоннами 120 мм. Ширина колонны вдоль стены 180 мм.

Высота стены из блоков 3000 мм. Поверх стены устраивается монолитный пояс 300 мм. Пояс заливается одновременно с перекрытием. Перекрытие выполняется монолитным с несъемной опалубкой. Несъемная опалубка перекрытия представляет собой изготовленные в заводских условиях плиты толщиной 50 мм, армированные треугольными арматурными каркасами высотой 150 мм. Плиты монтируются на 50 мм над уровнем блоков. Толщина монолитного слоя 200 мм. (50+50+200=300мм). Для облегчения конструкции, сокращения объема бетона и организации каналов для коммуникаций перед бетонированием параллельно арматурным каркасам укладывается несколько пластиковых труб диаметром 100 мм. Высота этажа составляет 3300 мм.

Рис. 3. Монолитный пояс и плита несъемной опалубки с треугольными арматурными каркасами.

Толщина слоя от бетонной заливки до уровня чистого пола 80 мм.  Отметка низа оконного проема от уровня чистого пола 820 мм. Высота оконного проема 1800 мм. Оконные перемычки представляют собой конструкцию из армированного полистиролбетона высотой 300 мм, перекрывающие пролеты в 1500 мм (2,5 блока) и 2400 мм (4 блока, широкое окно и балконный блок). 

Рис. 4. Перемычки с вентиляционными отверстиями.

В перемычках при изготовлении предусматриваются вентиляционные отверстия диаметром 220 мм. Толщина полистиролбетона над и под отверстиями 40 мм. Нагрузкой на перемычку является вес монолитного пояса на этапе бетонирования.

Учет энергопотребления

Энергоснабжение квартир осуществляется от магистралей, расположенных на лестничной площадке:

В1      – водоснабжение;

Т3      – горячее водоснабжение, подающая линия;

Т4      – горячее водоснабжение, обратная линия (рециркуляция);

Т11    – отопление, подающая линия;

Т21    – отопление, обратная линия;

Х1      – вода охлажденная, подающая линия;

Х2      – вода охлажденная, обратная линия;

N        – электроэнергия.

Все трубопроводы оснащаются расходомерами и тепловычислителем. Размещение узлов учета на лестничной площадке обеспечивает доступ обслуживающему персоналу для контроля и периодической поверки измерительного оборудования, упрощает организацию диспетчеризации. Все трубопроводы имеют термическую изоляцию, что позволяет сократить потери при увеличении протяженности коммуникаций.

Расходомеры (счетчики воды) устанавливаются на все подающие линии и на обратную линию горячего водоснабжения (по одному на замкнутые системы и два на систему с разбором и рециркуляцией). Счетчики крыльчатые с импульсным выходом. Это позволит сверять показания в электронном виде с показаниями механического счетчика и обеспечивает работу учета при отключении электроэнергии. Перед счетчиком воды устанавливается фильтр с датчиком температуры  (устройство, совмещающее фильтр и втулку для термосопротивления). На обратных линиях без счетчиков перед запорным краном ставится тройник с датчиком температуры. Все данные с расходомеров и термосопротивлений поступают на тепловычислитель, имеющий канал связи с системой домовой диспетчеризации.

Рис. 5. Узел ввода

Горячее водоснабжение

Подающая линия горячего водоснабжения замыкается на обратную через полотенцесушитель, что позволяет иметь источник тепла в ванной комнате при отключенном отоплении и организовать рециркуляцию горячей воды с целью сокращения времени установления температуры в точке водоразбора. Учет расхода горячей воды и тепла от горячего водоснабжения осуществляется по разнице показаний в подающей и обратной линиях. Полотенцесушитель оборудуется регулирующей арматурой.

Каждая квартира оборудуется накопительным электроводонагревателем, поскольку центральное теплоснабжение предполагает регулярные перерывы в подаче тепла на период ремонтных и профилактических работ, а применяемая в доме система рекуперации не может обеспечить потребности в горячем водоснабжении в полной мере. Электроводонагреватели могут не устанавливаться в случае оснащения дома достаточным числом солнечных коллекторов.

Рис. 6. Вид со стороны трубопроводов водоснабжения.

Отопление

Основное отопление выполняется посредством водяного теплого пола. Конструктивная особенность теплого пола позволяет решить сразу две задачи: отопление и межэтажную звукоизоляцию. Система укладки труб — настильная, ремонтопригодная. По замоноличенному перекрытию выполняется выравнивающая стяжка самовыравнивающимся раствором. На него укладывается пароизоляция. На пароизоляцию укладываются пенополистирольные листы толщиной 20 мм, выдерживающие нагрузку 500 кг/м². Далее укладываются маты с фиксаторами типа REHAUVarionova или панели для укладки труб UponorMinitecс шагом ячейки 50 мм. Толщина панелей (матов) 30 мм. После монтажа труб укладываются листы ГВЛВ Knauf“Суперпол” размером 1500х600х20 внахлест на клей и скрепляются саморезами длиной 20 мм. На них укладываются вразбежку малоформатные гипсоволокнистые листы Knaufразмером 1500х1200х10 мм на клей с фиксацией саморезами длиной 30 мм.

Такая конструкция пола позволяет выполнить подводку горячей и холодной воды к фанкойлу, удаленному от холла. Для этих труб на гидроизоляцию укладываются маты с фиксаторами, прокладываются трубы и закрываются листом пенополистирола 20 мм. Это позволяет выполнить теплоизоляцию труб как снизу, так и сверху, без изменения толщины всей конструкции пола.

Для теплого пола применяется труба из полиэтилена повышенной термостойкости PE-RT, обладающего коэффициентом температурного расширения меньшим, чем у других пластиков. Теплый пол укладывается змейкой с шагом 150мм от наружной стены к внутренней. Такой способ позволяет снизить холостую передачу тепла от подающего участка трубы в обратный, а получаемый градиент температур пола имеет целью компенсировать распределение температуры в объеме помещения от холодной стены к теплой.

Контуры теплого пола подключаются к коллектору в навесном шкафу, установленному в технической нише. Коллектор оснащается запорными вентилями на подающей стороне каждого контура и балансировочными клапанами на приемной стороне. Коллектор оснащается насосом и подключается к магистралям Т1 и Т2 через трехходовой термостатический клапан с внешним управлением. Теплый пол имеет достаточно высокую инерционность и для квартиры индивидуальное оперативное управление, как правило, не требуется: достаточно однократной настройки с помощью балансировочных клапанов и общего регулятора.

Рис. 7. Процесс проектирования напольного отопления.

Дополнительное отопление осуществляется с помощью фанкойлов. Преимущество фанкойлов в сравнении с традиционными радиаторами отопления выражается в повышенной производительности (до 7 раз) при одинаковых внешних размерах и использовании низкотемпературного теплоносителя (+35…+55С).

Все фанкойлы, подключаются по четырехтрубной схеме к магистральным линиям с теплоносителем отопления и охлажденной воды. В холодное время года фанкойл является дополнительным источником отопления, менее инерционным, чем теплый пол, что позволяет выполнять оперативное регулирование температуры при переходных процессах.

Фанкойлы размещаются в каждой комнате, преимущественно над дверными проемами. С одной стороны, это место, как правило, не используется при меблировке, с другой стороны, является пограничным между комнатой и холлом. Применение подвесного потолка в холле позволяет выполнить скрыто трубную подводку к фанкойлам. Кроме основной трубной разводки, все фанкойлы должны быть подключены к дренажному трубопроводу. Трубопровод выполняется трубой с наружным диаметром 15-20мм и с уклоном 2-3%.

Вентиляция

Вентиляция предусматривается естественная и с механическим побуждением. Удаление воздуха при естественной вентиляции осуществляется через вентиляционные каналы с забором воздуха из кухни, санузла и ванной комнаты. Приток воздуха происходит через открытые окна. Заборные отверстия в вентиляционных каналах оборудуются вентиляторами с жалюзи и обратным клапаном.

Принудительная вентиляция осуществляется через систему вентиляционных приборов УВРК, оснащенных рекуператорами тепла. Для обеспечения индивидуального проветривания, на каждую комнату необходимо два УВРК (что не мешает организовать межкомнатное проветривание).

Поскольку наружная стена с окном может быть полностью перекрыта шторами, единственное место вывода воздуховодов — над карнизом. Для сервисного обслуживания рекуператора необходимо иметь возможность вытаскивать его из канала в стене. Для этого предусматриваются отверстия в перемычке над окном, а вдоль всей стены выстраивается конструкция шириной (от стены) 200 мм из влагостойких стекломагниевых листов. При этом общая длина канала для установки рекуператора должна укладываться в допустимые 750мм. К низу конструкции (отметка 2600) монтируется карниз, а фронтальная часть используется для вентиляции и обслуживания рекуператора. Для увеличения эффекта проветривания конструкция позволяет разнести вентиляционные решетки дальше друг от друга, если утопить рекуператоры, сделать сервисные люки для обслуживания и выполнить перегородку в конструкции для разделения воздушных потоков.

Вентиляция на кухне, в санузле и в ванной требует движения воздуха в одном направлении. Расход воздуха кухонной вытяжки может составлять 200-600 м3/ч. В этом случае целесообразно применить приточно-вытяжную установку с рекуперацией. Несмотря на то, что вытяжная установка уже оснащается вентилятором, существует вероятность установки кухонной вытяжки с собственным вентилятором. В этом случае, если вытяжные каналы делать совмещенными с санузлом и ванной, подпор воздуха из кухни будет блокировать вентиляцию из других мест. Следовательно, кухонная вытяжка должна иметь собственный канал удаления воздуха.

Воздуховоды от приточно-вытяжной установки прокладываются сквозь стену между колоннами. Расстояние между колоннами 120 мм. В этом месте воздуховоды пластиковые прямоугольного сечения 60х204 мм (122см²) (ПВХ для уменьшения мостика холода). Приточный воздуховод имеет выход в холле. Движение воздуха будет и при закрытой двери на кухню, поскольку она не имеет порога. Вытяжной воздуховод соединен с кухонной вытяжкой и имеет заборное отверстие с обратным клапаном для обеспечения вентиляции при отключенной вытяжке.

Двери в санузел и ванную комнату имеют порог и могут закрываться достаточно плотно, следовательно, приточный воздух необходимо подавать непосредственно в помещения. Для лучшей вентиляции приточный поток воздуха необходимо направить сверху вниз вдоль двери, а забор воздуха организовать под потолком у дальней стены.

Для проветривания в санузле и в ванной применяется пара рекуператоров УВРК, устанавливаемых в перемычке над окном кухни. Для исключении возврата запахов направление потока воздуха не должно меняться вплоть до рекуператоров. Для распределения потоков воздуха при возвратно-поступательном режиме работы рекуператоров выполняется следующая конструкция. Над окном выполняется конструкция высотой 350 мм и глубиной 300 мм из стекломагниевых листов. Рекуператоры монтируются заподлицо с перемычкой. В конструкции выгораживаются две герметичные камеры. Подвод осуществляется воздуховодами прямоугольного сечения 60х120 мм (60 в высоту). В первой камере на воздуховоды устанавливаются тройники с выходом на круглый воздуховод, к которому присоединяется угловой соединитель, к торцу которого через короткий отрезок прямоугольного воздуховода крепится обратный клапан. Один клапан на вход, другой на выход. От тройников воздуховоды транзитом над отверстием рекуператора проходят во вторую камеру, где оканчиваются обратными клапанами. Для сервисного обслуживания на фронтальной стороне конструкции из стекломагниевых листов напротив рекуператоров устраиваются люки (герметичные). Рядом с люками устраиваются вентиляционные решетки с моторизованными клапанами, такими же, как у рекуператоров. Это позволяет выполнять проветривание кухни при отсутствии потребности в интенсивном проветривании санузла и ванной, приточно-вытяжная установка при этом может быть отключена. Необходимость в этом может возникнуть из-за ограничения в применении приточно-вытяжной установки  по температуре не ниже –25°С.

Приточно-вытяжная установка располагается за подвесным потолком из влагостойких стекломагниевых листов на лоджии перед кухонным окном. Забор воздуха производится непосредственно из запотолочного пространства, для чего в наружной стенке предусматривается вентиляционное отверстие. Для обслуживания рекуператора приточной установки в потолке должен быть предусмотрен сервисный люк. Поскольку удаляемый из кухни воздух может иметь запахи, предусматривается вентиляционная шахта с выбросом воздуха над крышей здания. Воздух после рекуператора имеет температуру близкую к температуре наружного воздуха, поэтому вентиляционная шахта располагается снаружи ограждающих конструкций.

В том же запотолочном пространстве выгораживаются две герметичные камеры перед выходными отверстиями УВРК. Забор воздуха в камеры осуществляется из запотолочного пространства через обратные клапаны. Выброс воздуха осуществляется из камер через обратные клапаны по воздуховоду в вентиляционную шахту.

Кондиционирование (удаление теплоизбытков)

Применение рекуператоров на вентиляции препятствует потерям тепла зимой и проникновению извне в квартиру тепла летом. Удаление теплоизбытков осуществляется посредством фанкойлов, устанавливаемых в каждой комнате. В качестве хладогента используется вода, что позволяет организовать централизованное охлаждение, причем, не за счет нагрева атмосферного воздуха, а за счет подогрева воды для горячего водоснабжения в чиллере с тепловым насосом, установленным в тепловом пункте здания. Такое решение исключает необходимость применения наружных блоков кондиционеров.

Рис. 8. Размещение воздуховодов, рекуператоров, фанкойлов и трубной подводки к ним.

Электроснабжение

Электроэнергия подается в квартиру со щитка этажного через автоматический выключатель и счетчик электроэнергии. Распределение электроэнергии производится в групповом щитке, установленном в квартире. Квартирный щит устанавливается в технической нише и имеет защиту IP65 и нижнюю подводку электрических кабелей. Отдельные группы выделяются под питание электроплиты, двух-трех розеточных сетей, стиральной машины и электроводонагревателя, оборудования отопления и вентиляции, освещения, пылеудаления, автоматизации. Оборудование, установленное в квартирном групповом щите, позволяет контролировать расход электроэнергии по каждой группе (счетчик типа НЕВА-102 1SO 5(40)А), что позволит учесть доли затрат электроэнергии групп потребителей различного назначения.

Управление освещением осуществляется как в ручном, так и в автоматическом режиме по специальному алгоритму, позволяющему исключить дорогостоящее оборудование при низком уровне ложных срабатываний.

Технология внутренней отделки помещений двумя слоями стекломагнезитовых листов вразбежку на клей и саморезы требует решения способа прокладки электропроводки. Традиционная прокладка кабелей в штробах недопустима, поскольку рассечение листов снижает несущую способность слоя. Прокладка кабеля до выполнения листовой отделки сопряжена с необходимостью заранее выполнять отверстия в листах для выпуска кабелей. Выходом может быть закладка скрытых кабель-каналов и укладка кабелей после листовой отделки. Скрытые кабель-каналы играют роль магистралей, позволяющих довести кабель до места без существенног повреждения отделки стен. Электроустановочные изделия могут располагаться как поверх самого канала, так и выше и ниже его. Вертикальные прорезы небольшой протяженности не снижают несущей способности листовой отделки. Кроме того, такой подход к прокладке кабелей позволяет выполнять реорганизацию кабельных систем без капитального ремонта помещений.

Кабель-каналы (пластиковые, без крышки) укладываются в штробы в стенах и закрываются листовым материалом внутренней отделки. Для розеточной и информационной сетей каналы в комнатах укладываются по стенам горизонтально, на высоте 600 мм от пола. Там, где это возможно, торцы каналов выводятся в коридор, переходят в вертикальный канал до подвесного потолка, а в месте соединения со стороны коридора устанавливается монтажная коробка (под розетку). Там, где нет возможности установить розетку и во внутренних углах комнаты в местах стыковки, в листовом отделочном материале устраиваются прямоугольные прорези, которые после монтажа закрываются кусками того же материала на саморезах (рис. 9).

Рис. 9. Решение стыка кабельных каналов

Суппорты, устанавливаемые поверх кабельных каналов, прикручиваются саморезами к стене, для чего ширина кабельного канала не должна превышать 40 мм. Кабельный канал размерами 40х40 мм.

Под потолком размещается еще один кабельный канал размером 50/2х25 мм. Чтобы исключить процесс штробления, канал закладывается в момент устройства опалубки для монолитного пояса и занимает все пространство от последнего ряда стеновых блоков до низа перекрытия. До замоноличивания кабельный канал укладывается с крышкой. Перед монтажом крышка (или ее часть) удаляется. Это дает возможность выполнить проход сквозь примыкающие стены (сверлением в этих местах отверстия выполнить невозможно). Канал предназначен для подводки питания к осветительным приборам, расположенным на потолке, под потолком по периметру комнаты или настенным бра, а так же к рекуператорам и моторизованным карнизам.

Все кабельные каналы соединяются с запотолочным пространством холла. Там кабели прокладываются открыто в пучках. Кабели должны быть негорючие (марка нгLS).

Силовая электропроводка на кухне выполняется кабелем 5х4мм² (L+N+L+N+PE) для питания электроплиты и духового шкафа и 3х2,5мм² для питания холодильника, микроволновки, посудомоечной машины и розеток для подключения бытовой техники. Кабели до кухни тянутся в запотолочном пространстве. Проход сквозь стену осуществляется радом с воздуховодами. До вертикального кабельного канала — внутри конструкции, скрывающей воздуховоды. Далее спуск по вертикальному до горизонтального кабельного канала на высоте 500мм. С целью сокращения вероятности повреждения вентиляционных шахт в стене при штроблении, используется кабельный канал 50/2х25, требующий меньшего заглубления.

Рис. 10. Кабельные каналы вдоль стен в комнатах.

Для выполнения подводки к потолочным светильникам, перед замоноличиванием перекрытия между арматурными каркасами укладываются пластиковые трубы (диаметра 100мм). При изготовлении на заводе плит несъемной опалубки в них устраиваются отверстия, которые служат ориентирами для укладки труб при строительстве и указывают на канал при выполнении электромонтажных работ.

Мусороудаление (центральный пылесос)

Требования к размещению оборудования: температура помещения установки центрального пылесоса в течение всего года должна быть в диапазоне от 5°C до 25°C. Помещение должно хорошо проветриваться и иметь вентиляционное отверстие на улицу площадью 150 см².

Центральный пылесос устанавливается в технической нише над коллектором отопления. Применение пылесоса с прямоточным двигателем позволяет отказаться от вентиляционных отверстий, сделав техническую нишу герметичной, что позволит повысить шумозащиту. Трубопровод к пневморозеткам прокладывается по холлу за подвесным потолком, проводится сквозь стены между колоннами и опускается на нужную высоту. Поскольку толщина полистиролбетона защищающего колонну 60мм, а труба Ду50, прокладка трубопровода горизонтально вдоль стены нежелательна. Размещение розеток выполняется из условия длины шланга 8м (в кв.1 — 10м, кв.4 — 9м). Место для хранения шланга может быть предусмотрено в той же технической нише.

Пневмовыхлоп от центрального пылесоса выполняется трубой Ду75. Вместо шумоглушителя ставится обратный клапан. Труба выводится на лестничную площадку под потолком и далее к вентиляционному стояку диаметром около 300 мм в отсеке мусоропровода. Стояка два (на 3 квартиры и на 2 квартиры с этажа). Размещение стояков в отсеке мусоропровода позволяет организовать прочистку стояков в мусорокамере. От каждой квартиры к стояку подвод отдельным трубопроводом. Такие меры позволяют сократить взаимное влияние пылесосов разных квартир.

Рис. 11. Вид на инженерные коммуникации

Автоматизация

Типовая автоматизация должна включать:

- управление освещением (естественным и искусственным)

- поддержание заданной температуры в помещении (отопление и охлаждение)

- исполнение заданного режима проветривания

Для автоматического управления оборудованием на каждую комнату предусматривается контроллер с набором модулей ввода-вывода. Применение отдельного контроллера на комнату позволяет унифицировать программное обеспечение. Все контроллеры и модули ввода-вывода соединяются информационной шиной на основе протокола RS-485.

К каждому набору модулей ввода-вывода тянется полтора десятка кабелей, поэтому расположение их в технической нише приведет к увеличению расхода кабеля и сложности монтажа. Расположение их в комнатах в непосредственной близости к объектам автоматизации нежелательно из-за необходимости шумозащиты, поскольку бесшумные твердотельные реле несовместимы с энергосберегающим освещением. Поэтому модули следует устанавливать в холле в запотолочном пространстве на DIN-рейку, прикрепленную к стене, по возможности ближе к обслуживаемой комнате.

Рис. 12. Размещение контроллеров в запотолочном пространстве.

Для организации интерфейса в каждой комнате (+ одна в холле) устанавливается сенсорная графическая панель оператора (например, WEINTEK MT8070IH). Панель соединяется с контроллером информационной шиной на основе протокола RS-485. С помощью панели выполняется конфигурирование контроллера, отображается текущая информация и выполняется ручное управление объектами (освещение, отопление, вентиляция).

Дополнительно в каждой комнате предусматривается установка обычного выключателя, соединенного параллельно одного из реле включения освещения. Это позволяет освещать помещения при отключенной автоматике.