CC BY
70
УДК 628.921/.928
КОРЖНЕВА ТАТЬЯНА ГЕННАДЬЕВНА, аспирант, korzhneva@tpu. ru
УШАКОВ ВАСИЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ, докт. техн. наук, vyush@tpu. ru
Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
ОВЧАРОВ АЛЕКСАНДР ТИМОФЕЕВИЧ, докт. техн. наук, oat_08@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
УЧЕТ РЕСУРСА ЕСТЕСТВЕННОГО СВЕТА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПОМЕЩЕНИЯ
Целью настоящей статьи является разработка концептульного подхода к решению задачи оптимизации энергетических затрат, связанных с установкой искуственного и естественного освещения. Задачу предложено решать комплексно на основе математических уравнений с учетом факторов, составляющих среду жизнедеятельности человека, - тепловой, световой и воздушный режимы. Основой оптимизации энерггозатрат при обеспечении помещения максимальным световым комфортом является применение комбинированного естественного освещения, обеспечивающего минимальные теплопо-тери. В основу системы естественного освещения заложены боковые светопроемы оптимальных размеров и полые трубчатые световоды для верхнего освещения.
Ключевые слова: естественное освещение; световод; энергобаланс; верхний свет.
TATYANA G. KORZHNEVA, Graduate Student, korzhneva@tpu. ru VASILIY YA. USHAKOV, DSc, vyush@tpu. ru
National Research Tomsk Polytechnic University,
30, Lenin Ave., 634050, Tomsk, Russia ALEKSANDR T. OVCHAROV, Sc.D., oat_08@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
DAYLIGHT RESOURSES ACCOUNTING OF ENERGY COST OPTIMIZATION
The article is devoted to the of conceptual approach development of the problem of energy cost optimization connected with installation of daylight and artificial light illumination. This problem has been suggested to be comprehensively solved based on mathematical equations with regard to the life sphere factors, namely: temperature, light, and air conditions. Energy cost optimization is based on a combined daylight which assures minimum heat loss at maximum light comfort provided in a room. Daylight illumination implies side openings of optimum size and light tubes for top lighting.
© Т.Г. Коржнева, В.Я. Ушаков, А.Т. Овчаров, 2013
Key words: daylight; light tube; energy balance; top lighting.
Освещение является важнейшей частью физико-биологической среды существования человека, определяющей комфортность среды обитания, самочувствие, работоспособность и производительность его труда. Жизнедеятельность современного общества непосредственно связана с организацией освещения высокого качества и высокой энергетической эффективности. Несмотря на то, что затраты электроэнергии (ЭЭ) на освещение отдельно взятого помещения могут показаться незначительными, в масштабе совокупных общественных затрат эти значения представляются весьма внушительными. Например, в России на цели освещения затрачивается примерно 14 % от общего объема производства ЭЭ отечественной энергетикой, из них на долю освещения общественных зданий приходится от 30 до 45 % [1].
Строительная политика в области сооружения жилых и общественных помещений и организации систем освещения формировалась в условиях действующего ряда факторов, которые можно отнести к плодам научнотехнической революции:
- доступность электрической энергии и ее приемлемая стоимость (до наступления эпохи непрерывного удорожания энергоресурсов);
- улучшение энергетических, светотехнических и санитарногигиенических характеристик систем электрического освещения;
- использование электроосветительных приборов в дизайне интерьеров жилых и служебных помещений.
После первого нефтяного кризиса 1973-1974 гг., когда энергосбережение было поднято на уровень государственной научно-технической политики во многих высокоразвитых и, как правило, энергодефицитных странах, возрос интерес к строительству зданий с эффективным использованием энергии, в частности, к снижению энергоемкости систем искусственного освещения. Несмотря на активное развитие политики энергосбережения, до сих пор в системах внутреннего освещения слабо используется ресурс повсеместно доступного естественного света.
Основным источником естественного освещения помещений являются световые проемы (окна) различной геометрии, конструкции, размещения. Окна являются одновременно конструктивным элементом передачи естественного света в помещения и источником значительных тепловых потерь зданий. Несмотря на то, что современные материалы позволяют создавать светопрозрачные конструкции с повышенным сопротивлением теплопередаче, тем не менее они остаются основными источниками тепловых потерь (до 40-45 %) в здании, имея высокие строительную стоимость и эксплуатационные расходы. Поэтому при строительстве и реконструкции сооружений с целью эффективного использования энергоресурсов параметры светового проема следует выбирать с учетом экономии электроэнергии на искусственное освещение и сокращения затрат энергии на восполнение теплопотерь через световые проёмы зимой и кондиционирование/вентиляцию для компенсации избыточного теплопоступления через них летом.
Согласно определению, энергоэффективное здание включает в себя совокупность архитектурных и инженерных решений, наилучшим образом отвечающих целям минимизации расхода энергии на обеспечение микроклимата в помещениях здания. Однако, несмотря на существующие рекомендации и методики в области энергосбережения в строительстве, у инженеров возникают сомнения в принятии наилучшего архитектурно-строительного решения. Сложности появляются как следствие необходимости решения многофакторной задачи учета целого комплекса процессов формирования микроклимата помещения [2]. В связи с этим проектирование светопрозрачных элементов зданий необходимо сопровождать не единичными фрагментарными расчетами, а решать комплексную задачу, основу которой составляет математическая модель процессов, формирующих микроклимат помещений, позволяющая выполнить системный анализ многовариантных решений и найти оптимальное.
В этой связи целью настоящей статьи является разработка концептуального подхода к решению задачи оптимизации энергетических затрат, связанных с установками искусственного и естественного освещения. К решению задачи следует подходить комплексно на основе математических уравнений с учетом всех факторов, составляющих среду жизнедеятельности человека.
Основными факторами, определяющими комфорт, являются тепловой, световой и воздушный режимы, которые зависят от условий застройки (в том числе ориентации здания), объемно-планировочной структуры здания, конструкции наружных ограждений (степень и характеристика остекления, сопротивление теплопередаче, теплоустойчивость, солнцезащита), инженерного оборудования, режимов эксплуатации, требований к инсоляции, уровня шума [Там же]. Перечисленные факторы могут быть представлены в виде ограничений или помех, которые подчиняются законам статистики и позволяют с определенной вероятностью моделировать вышеуказанные процессы.
В конечном итоге, решая задачу оптимизации размеров боковых оконных проемов и их ориентации по сторонам света, руководствуемся следующим положением: среди всех помещений, имеющих одну и ту же общую площадь или одинаковый объем, выбирается такое, которое при прочих равных условиях требует минимальных затрат тепловой энергии на его отопление в холодный период года и охлаждение в теплый период года, обеспечивает комфортную световую среду при естественной освещенности и минимизирует затраты на систему искусственного освещения.
Рассмотрим возможность оптимизации теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания путем изменения формы ориентации помещения.
Целевой функцией, которую необходимо минимизировать, являются энергетические затраты. Принимая во внимание, что затраты на отопление, кондиционирование, искусственное освещение имеют одинаковую размерность, но различную стоимость, то в качестве целевой функции целесообразней принимать эксплуатационные затраты в стоимостном выражении для различных энергетических ресурсов. В результате задачу оптимизации ориентации и геометрических размеров помещений и светопрозрачных конструкций
математически запишем как снижение эксплуатационных затрат в годовом цикле Q ^ min при постоянном размере помещения S = So = const:
12 14 14
Q = J ChQhdt + J CcQcdt + J CLQLdt, (1)
t1 t3 t1
где CH, CC, CL - соответственно удельная стоимость тепла, холода и энергии
на искусственное освещение, руб./Вт; QH, QC, QL - соответственно эксплуатационные затраты энергии на отопление, охлаждение и искусственное освещение, Вт; (ti - t2), (t3 - t4), (ti - t4) - соответственно периоды отопления, охлаждения помещения и годовой период искусственного освещения.
Энергия, потребляемая источниками света, в конечном счете преобразуется помимо световой энергии в тепло. При требуемой высокой освещённости и использовании устаревших осветительных установок, например ламп накаливания, теплопритоки являются существенными. Поэтому компенсация теп-лопритоков от осветительной установки в теплое время входит в эксплуатационные затраты на охлаждение помещения.
Количество тепловой энергии, необходимой для отопления и охлаждения помещения, определяется для каждого момента времени путем решения уравнения теплового баланса внутреннего воздуха как результат суммирования его теплопотерь и теплопоступлений.
За основу расчета примем методику [3], из которой уравнение для определения необходимого количества энергии для отопления при заданной температуре воздуха определяется как
6 5
У qEnc,iSEnc,i + У qw,iSW,i + QF = Q , (2)
i=1 i=1
где qENC,i, qw,i - удельные тепловые потоки через наружные ограждающие конструкции и светопрозрачные проемы соответственно, Вт/м2; QF - теплопотери за счет механической и естественной вентиляции, Вт; i = 1, 2, 3, 4 относится
к стенам, i = 5 к потолку, i = 6 к полу; SENC,i - площадь наружных стен, пола 22 и потолка, м ; Sw,i - площадь заполнения светового проема, м .
Оптимальные значения размеров помещения aopt и bopt, обеспечивающие при заданной общей полезной площади помещения минимальные затраты энергии на его отопление или охлаждение, определяются минимизацией удельной тепловой характеристики помещения в уравнении (2) как функции переменных а и b . Соответствующие конечные преобразования приводятся в [3]:
Ьор, =,
тп
X \_ЧЕпс,г (1 _ Рг ) + Чж,гРг ] I
ЧЕпс,5(1 Р5 ) + Чж ,5 Р5 + ЧЕпс,6 X \ ЧЕпс г (1 Рг ) + Ч1Г ,гРг ]
(4)
где Рг - коэффициент остекления ограждающей конструкции; Н - высота помещения, м.
Решение уравнения минимизации тепловых потерь помещения должны быть дополнены расчетом количества естественного света, необходимого для обеспечения комфортного пребывания в нем. Количество солнечного ресурса в помещении выражается через коэффициент естественной освещенности, КЕО (ен, %).
Определим расчетный КЕО при боковом освещении через коэффициент остекления наружной поверхности [4]:
100^.р т0 г0
(5)
аорАр,КзПс Кзд
где т0 - общий коэффициент светопропускания проема; г0 - коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении, в результате отражения света от поверхностей помещения; Кз - коэффициент запаса на загрязнение; Кзд - коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями; п0 - световая характеристика окон.
Примем, что расчет параметров ведется для общественного помещения. Согласно СП 23.13330.2011, ен при боковом освещении должен быть не менее 1,5 %.
Таким образом, исследование оптимизации помещения по тепловым и световым параметрам сводится к решению системы уравнений Q ^ тт
,2 ,4 ,4
Q = { CнQнdt + | Сс&Л + | С^ь^,
X \_9впс,1(1 “ р ) + Чж,гр
I ЧЕпс,5 (1 Р5) + Чж,5Р5 + Чипс,6 X ГЧЕпс I (1 р ) + Чж,1Р1 ]
X \_ЧЕпс,1(1 “ р ) + Чж,гр _
ЧЕпс,5 (1 Р5) + Чж,5Р5 + ЧЕпс,6 X ГЧЕпс I (1 р ) + Чж,1Р1 ]
е = Ю0^рг0 г0
ен - Ь К К
аопт опт з П Кзд
при ен ^ 1,5
Р. ^ тт,
£ = const.
2
3
г=2,4
I = 2.4
а
1=1,3
I =1,3
г=2,4
Однако традиционные вертикальные окна обеспечивают нормируемый уровень естественной освещенности в помещении на расстоянии приблизительно 6 м от окна, но при высокой неоднородности. Так, если глубина помещения равна его высоте L1 = Н (рис. 1, а), то помещение характеризуется как мелкое, светлое; при Н < L2 < 2Н - как типичное, средней глубины и освещенности; при L3 > 2Н - как глубокое с недостаточной естественной освещенностью.
б
а
Рис. 1. Влияние на ЕО размеров помещения (а) и системы естественного освещения помещения (б) и нормируемые значения КЕО:
Етп - минимальное значение нормируемой освещенности; РП - рабочая плоскость; ен - распределение нормируемого КЕО; ебок - распределение бокового КЕО; еверт - распределение верхнего КЕО
Распределение освещенности от окна имеет асимптотический характер, резко уменьшаясь по мере удаления от окна. Для её увеличения в глубине помещения необходимо либо значительно увеличивать размеры оконного проема [5], что сопровождается ростом тепловых потерь через световые проемы, либо применить систему верхнего освещения.
В контексте оптимизации энергозатрат и повышения однородности световой среды использование полых трубчатых световодов (ПТС) (рис.1, б, рис. 2) в качестве дополнительного источника естественного освещения представляется наиболее эффективным.
ПТС позволяют принимать естественный свет на крыше или на стенах здания и проводить его внутрь за счет коленчатых участков труб, внутренняя поверхность которых покрыта плёнкой с высоким коэффициентом отражения (до 99,7 %). На крыше или стене здания располагается приёмное устройство в виде купола, изготовленного по принципу линзы Френеля, что позволяет направлять диффузный свет неба ближе к оси трубы для уменьшения количества отражений света внутри неё [7].
Рис. 2. Принцип работы Solatube Daylighting systems [б]
Полые трубчатые световоды позволяют обеспечивать естественным светом при требуемом уровне КЕО и высокой равномерности распределения естественной освещенности даже те помещения, которые не могут освещаться обычными системами естественного света (например, подвалы, центральные помещения широких зданий, находящиеся на нижних этажах, и т. п.) (рис. 3, б).
Рис. 3. Способы установки полых трубчатых световодов:
а - вариант расположения светоприёмного купола на крыше здания; б - на фасаде здания для освещения подземных помещений
Рассмотрим эффективность использования систем естественного света с позиции энергобаланса. В работе [8] представлены общие теплопотери и общие солнечные теплопоступления от различных световодных систем. Например, при равной площади светопроёмов вертикальных окон и световодов теплопотери от оконного проёма площадью 0,8 м2 (0,8^1) составят 5,6 Вт, в то время как для световода такой же площади купола при длине 1,2 м -3,8 Вт. Соответственно теплопередача самих световодов при различных диа-
метрах составляет: 250 мм - 0,312 Вт/м2-0С; 350 мм - 0,624 Вт/м2-0С; 530 мм -1,515 Вт/м2-0С. Снижение теплопотерь является одним из наиболее важных преимуществ полых световодов для Сибирского региона, где перепад температур в помещениях и снаружи в зимнее время достигает 60 °С. Световод представляет собой герметически уплотненную трубу с неподвижным воздухом внутри, который работает как прекрасный теплоизолятор.
В помещениях, имеющих традиционные светопроемы, скоординированная эксплуатация окон и ПТС в отопительный сезон позволяет экономить энергию на отопление, а в жаркое время года - на вентиляцию и кондиционирование, достигается также экономия электроэнергии, расходуемой на искусственное освещение.
Повышение энергоэффективности систем освещения зданий (помещений) представляет собой сложную оптимизационную задачу, требующую согласования технических параметров, а также стоимости устройства и эксплуатации её элементов: окон (фрамуг и др.), ПТС, систем искусственного освещения с учётом географо-климатических условий данной местности и специальных требований заказчика. Расчет конструктивных размеров боковых проемов целесообразнее производить при комплексном учете теплоэнергетических и световых характеристик помещения, что позволит наиболее полно учесть и сформировать качественный микроклимат для жизнедеятельности человека. Использование в комплексе с боковыми проемами верхнего естественного света, представленного в виде ПТС, ввиду его малых размеров и высокой эффективности транспортировки солнечного света внутрь помещения формирует комфортную световую среду, не влияя на тепловой баланс помещения, и существенно сокращает время использования искусственного освещения.
Таким образом, предложена концептуальная модель решения многофакторной задачи формирования микроклимата помещения и оптимизации энергетических затрат на искусственное освещение, в минимизации которых существенную роль играет естественный свет.
Библиографический список
1. Целуйко, В.И. Энергоэффективное освещение / В.И. Целуйко // Энергоэффективность. -1998. - № 2. - С. 14-15.
2. Табунщиков, Ю.А. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач // АВОК. - 1998. - № 1. - С. 5-10.
3. Табунщиков, Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач. - М. : АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.
4. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М. : Знак, 2006. - 972 с.
5. Архитектурная физика / под ред. Н.В. Оболенского. - М. : Стройиздат, 2001. - 448 с.
6. Селянин, Ю.Н. Технология Solatube daylighting system - важный путь повышения энергетической эффективности современных зданий / Ю.Н. Селянин // Стороительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2010. - № 9. - С. 12-13.
7. Соловьев, А.К. Полые трубчатые световоды: их применение для ествественного освещения зданий и экономия энергии / А.К. Соловьев // Светотехника. - 20011. - № 5. - С. 41-47.
8. Бракале, Дж. Естественное освещение помещений с помощью новой пассивной световодной системы «Solarspot» / Дж. Бракале // Светотехника. - 2005. - № 5. - С. 34-42.
References
1. Tseluyko, V.I. Energoeffektivnoye osveshcheniye [Energy-efficient illumination!. Energoeffek-tivnost. 1998. No. 2. P. 14-15. (rus)
2. Tabunshchikov, Yu.A. Nauchnyye osnovy proyektirovaniya energoeffektivnykh zdaniy [Scientific basics of energy-efficient buildings design]. AVOK. 1998. No. 1. P. 5-10. (rus)
3. Tabunshchikov, Yu.A., Brodach, M.M. Matematicheskoye modelirovaniye i optimizatsiya teplovoy effektivnosti zdaniy [Mathematical modeling and optimization of thermal effectiveness of buildings]. Moscow : AVOK-PRESS, 2002. 194 p. (rus)
4. Spravochnaya kniga po svetotekhnike [Lightning engineering reference book]. Ed. Yu.B. Ayzenberga. Moscow : Znak, 2006. 972 p. (rus)
5. Arkhitekturnaya fizika [Architectural physics]. Ed. N.V. Obolenskogo. Moscow : Stroyizdat, 2001. 448 p. (rus)
6. Selyanin, Yu.N. Tekhnologiya Solatube Daylighting System - vazhnyy put povysheniya ener-geticheskoy effektivnosti sovremennykh zdaniy [Solatube Daylighting System technology is the important way of energy efficiency improvement of modern buildings]. Storoitelnyye ma-terialy, oborudovaniye, tekhnologiiXXIveka. 2010. No. 9. P. 12-13. (rus)
7. Solovyev, A.K. Polyye trubchatyye svetovody: ikh primeneniye dlya yestvestvennogo osvesh-cheniya zdaniy i ekonomiya energii [Light tubes: natural illumination of buildings and energy saving]. Svetotekhnika. 2011. No. 5. P. 41-47. (rus)
8. Bracale, G. Yestestvennoye osveshcheniye pomeshcheniy s pomoshchyu novoy passivnoy svetovodnoy sistemy «Solarspot» [Natural room illumination using a new passive light guide system “SOLARSPOT”]. Svetotekhnika. 2005. No. 5. P. 34-42.
