CC BY
109
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4)
18.00.00 Архитектура
УДК 72:502.7+728.001
П.АКазанцев
Казанцев Павел Анатольевич - канд. архитектуры, профессор кафедры дизайна ДВГТУ. Е-mail: [email protected]
АРХИТЕКТУРНЫЕ РЕШЕНИЯ ЖИЛЫХ МАЛОЭТАЖНЫХ ДОМОВ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ ДЛЯ 40-50° СЕВЕРНОЙ ШИРОТЫ
Показано одно из перспективных направлений обеспечения устойчивого развития экономики Приморского края в XXI в. - внедрение в жилищно-коммунальное хозяйство альтернативных источников энергии. Для этого необходимо проектирование и строительство малоэтажных энергоэффективных жилых зданий с пассивным солнечным отоплением. Проведенные автором исследования и экспериментальное проектирование позволили предложить для природно-климатических условий южной части Дальнего Востока три типа энергоэффективных зданий, разработанных на основе патентов на полезную модель RU №65926 и на изобретение RU №2342507.
Ключевые слова: экологическая и солнечная архитектура, дома с пассивным солнечным отоплением, энергоэффективный экодом.
Pavel A. Kazantsev
ARCHITECTURAL CONCEPTS FOR SOLAR-HEATED LOW-RISE HOUSES LOCATED 40-50
DEGREES NORTH LATITUDE
The article shows one of the prospective lines of a stable development of Primorski Krai in the 21 century - introduction of alternative energy sources in housing and utilities infrastructure. In order to fulfill this objective it is necessary to design and construct energy efficient houses with passive solar heating. The author of the article suggests 3 types of energy efficient houses designed for natural climatic conditions of the south of Primorski Krai which are based on the patent on the useful model RU №65926 and the patent on the invention RU №2342507.
Key words: solar design, sustainable design, passive solar heating, energy efficient houses.
Для инвесторов и покупателей привлекательность товара на рынке отечественной недвижимости сегодня определяется его первоначальной стоимостью,
а не совокупностью затрат за последующее время эксплуатации строения. В этих условиях здания традиционной архитектуры, как спринтер на короткой дистанции, вне конкуренции: дешевле и сразу. «Солнечная архитектура» на 10-30 % дороже и окупит себя примерно через 5-15 лет, в зависимости от уровня цен на энергоносители. Но в условиях юга Дальнего Востока дом «солнечной архитектуры» будет автономен от централизованных систем и горячего водо- и теплоснабжения. Неоспорим и экологический эффект внедрения данного типа зданий: например, в сравнении с индивидуальным жилым домом сопоставимых размеров и традиционной системой отопления солнечный дом площадью около 100 м обеспечит снижение выбросов СО2 в атмосферу до 5700 кг за год [1].
Малоэтажный дом с солнечным отоплением («солнечный» экодом) - это не традиционный дом с двускатной кровлей, «теплыми» стенами и установленными перед южным фасадом здания коллекторами, разогревающими воду на солнечном тепле. Практически всем из личного опыта известно, что скорость ветра и инсоляция существенно влияют на теплообмен человека с окружающей средой, определяя понятие теплового комфорта. Изменяя расположение зданий, их форму и ориентацию по сторонам света, планировку внутреннего пространства, можно регулировать микроклимат двора и жилых помещений, отклоняя ветер и раскрывая застройку солнцу. Энергосбережение начинается с разработки архитектурной формы - развернувшись «глухой спиной» к зимнему ветру и раскрыв витражи на солнце, мы уже сможем экономить на отоплении в условиях региона до 30-50 % от существующего уровня затрат.
В умеренных широтах территория Приморского края отличается наиболее благоприятными природно-климатическими условиями для развития солнечной энергетики. Сибирский антициклон обеспечивает зимой продолжительную морозную, но ясную погоду, а южная широта Приморья - максимальное поступление солнечной радиации в морозные дни. Суммарная продолжительность солнечного сияния по Приморскому краю оценивается в 1900-2400 ч за год (43-48° С.Ш.). Это один из самых высоких показателей по Российской Федерации [1].
За год на юге Приморья поступает 1681,3 кВт/ч солнечной радиации на 1 м и большая ее часть приходится на зимний период. По наблюдениям пионеров солнечной архитектуры в регионе - Н.С.Рябова и А.А.Цвида - наружные каменные стены южной ориентации прогреваются солнечными лучами зимой до +12-17° С при отрицательных наружных температурах около -15о С. Температура поверхности черной бетонной стены на открытом воздухе в морозный день, при условии ее защиты от ветра, поднимется уже до +35° [1, 3].
По наблюдениям автора, в раскрытых на юг помещениях домов «сталинского» типа в солнечный январский день воздух прогреется до +18 - +20о С даже при аварийном отключении отопления (шлакоблочные стены 0,6-0,7 м с оконными проемами 1,5 х 1,5 м, ориентация окон 12о к юго-западу, гарантированная инсоляционная зона открыта для непрерывной 6-часовой инсоляции зимой, продолжительность наблюдения - 3 суток, Владивосток, 1990 г.).
Графоаналитические и расчетные методы, разработанные к настоящему времени в исследованиях по аэродинамике и инсоляции зданий, позволяют моделировать пространственные ситуации с заданными микроклиматическими параметрами еще на стадии эскизного архитектурного проектирования. С этой точки зрения, современная архитектурная концепция малоэтажного жилого дома с солнечным отоплением рассматривается сегодня как результат многократных попыток практического моделирования автономного от традиционных источников теплоснабжения пространства жилой ячейки за последние 80 лет. Кратко она может быть изложена следующим образом.
Жилое пространство, защищенное от ветра и раскрытое солнцу, формируется развернутой к югу радиальной или П-образной (трапециевидной) в плане ветрозащитной стенкой, собирающей солнечные лучи, и козырьком-кровлей, дающим тень от высокого летнего солнца. Форма и отделочные материалы внутренней поверхности стены должны способствовать концентрации солнечных лучей при низком зимнем солнцестоянии.
Отсекая внутреннее пространство «подковы» с юга от внешней среды энергосберегающим витражом, используем парниковый эффект: при нанесении
на поверхность стекла тончайшего металлического покрытия или теплоотражающей пленки лучистая составляющая тепловых потерь направляется обратно, внутрь помещения. Термальный массив (каменная стена за стеклом, пол -керамогранит по железобетонной плите или массивный камин под зенитным фонарем), сохраняя солнечное тепло, должен обеспечить комфортную температуру в помещении ночью. Дополнительный козырек, врезанный в витраж на уровне второго этажа, обеспечивает более комфортный для зрения человека световой климат жилых помещений в околополуденные часы, коньковые окна -проникновение солнечного света в комнаты северной ориентации, углы кровли, развернутой на зимнее солнце - размещение солнечных коллекторов и фотобатарей (рис. 1, 2).
С наветренной стороны стена и скатная кровля солнечного дома могут быть превращены в зеленый холм, что не только защитит от холодного север-
АРХИТЕКТУРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ СОЛНЕЧНОГО ДОМА
Рис 1. Рекомендуемая схема сечения «солнечного» экодома по оси «север-юг» для
условий юга Дальнего Востока
ного муссона, уведя ветер вверх, но и будет способствовать дополнительному сбережению накопленного массивными конструкциями солнечного тепла. Лет-
ПЕРЕГРЕВ В ИЮЛЕ II ШУСТЕ
РЕШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ АРХИТЕКТУРЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЖИЛОГО ДОМА "ШН* ("СОЛНЕЧНЫЙ • ТПП 5") ПАТЕНТ Щ65 «611
(СХЕМА)
'КОНЬКОВЫЕ" ОКНА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ИНСОЛЯЦИЮ СЕВЕРНЫХ КОМНАТ И ПРОВЕТРИВАНИЕ ДОМА В ЛЕТНИЙ ПЕРЕЕРЕВ
"ВЕТРООТБОЙНЫЙ" КОЗЫРЕК СЕВЕРНОГО СКАТА КРОВЛИ
СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ ДАНИЯ
РУ: ПАНЕЛИ СОЛНЕЧНЫХ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ : ДО 30 КВ. МЕТРОВ
СОЛНЕЧНЫЙ КОНВЕКТОР ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
Рис. 2. Расположение систем активного и пассивного солнечного отопления в «солнечном» экодоме (на примере «Экодома 8о1аг-5»)
нее затенение юго-западных и западных секторов горизонта обеспечат внешние зеленые экраны из лиан, аэрацию при перегреве - те же коньковые окна, при одновременном притоке прохладного воздуха из затененной части приусадебного участка, через проемы у основания витража.
Основанный на перечисленных принципах архитектурный проект «Энергоэффективное здание “Экодом 8о1аг-5”» (рис. 3 а, б) разработан совместно профессором кафедры дизайна Института архитектуры, искусства и дизайна ДВГТУ Павлом Казанцевым (архитектура здания) и сотрудниками Лаборатории нетрадиционной энергетики Института проблем морских технологий ДВО РАН инженером Александром Волковым и д-ром техн. наук, профессором Олегом Ковалевым (активная система солнечного теплоснабжения).
Отличительными чертами архитектуры здания являются подчинение его формы годовому ходу солнечных координат и господствующим зимним ветрам и решение проблемы комбинаторики архитектуры здания и активных солнечных систем - солнечной водонагревательной установки ИПМТ ДВО РАН и фо-
а
б
Рис. 3. Варианты архитектурного решения «Экодома Бо1аг-5»: а) с системой солнечного горячего водоснабжения здания; б) с системой солнечного водяного отопления здания
тоэлектрической системы. Обтекаемая клиновидная форма кровли, лишенный проемов северный фасад и теплоизоляция стен по типу «термоса» позволили снизить максимальную мощность тепловых потерь здания до 7,6 кВт (обычный щитовой дом - 12 кВт). Северный фасад - без окон, но все комнаты дома освещаются солнцем не менее 4 часов в декабре. Архитектурные особенности здания позволяют в холодный период за световой день обеспечить поступление максимального количества солнечной энергии внутрь здания.
Пассивная система солнечного теплоснабжения дома представляет собой массивный блок из нескольких слоев различных материалов, освещаемый солнечными лучами через окна. Накопленная за день термальным массивом солнечная теплота должна обеспечить сохранение комфортных температур в помещении в ночное время. Эффективность технологии зависит от площади массива, освещаемой солнечными лучами, ориентации и угла наклона проемов, материала и объема термального массива, планировочного решения здания, теплоизоляции стен, цоколя и устройства кровельного пирога. Практически эту технологию можно назвать технологией грамотного архитектурного проектирования, учитывающего локальные ресурсы внешней среды.
Пассивная система солнечного отопления здания включает: термальные массивы перекрытий на отм. 0,000 (8,0 м ) и на отм. 3,300
3 3 3
(2,0 м ), камин (3,0 м ), стену Тромба-Мишеля (1,2 м ), инсолируемые непосредственно через витражи южной и западной ориентации (28,0 м , тип энерго-
32
сберегающий стеклопакет; соотношение 0,5 м /1,0 м );
термальные массивы внутренних несущих конструкций здания и перегородок, получающие и отдающие тепло только за счет конвективного теплообмена 2,5 м3;
солнечный конвектор в витраже кухни-столовой и светоотражающие покрытия кровли и конькового витража, работающие в сочетании с вакуумирован-ными солнечными коллекторами (рост мощности активной системы до 10%).
Проведенные по проекту «Экодом Бо1аг-5» расчеты показывают, что реализация принципов формирования энергосберегающей архитектурной формы
позволит даже в наиболее холодную зимнюю пятидневку (-24о С) компенсировать до 38% затрат на отопление здания. В обычных зимних условиях (-14° С) прямая инсоляция термальных массивов зимнего сада, гостиной и стены Тромба компенсируют 57% потребностей дома в тепле (приведены расчетные данные А.В.Волкова для климатических условий южного Приморья, рис. 4). При этом порог экономической целесообразности использования тех или иных приемов пассивной и активной солнечной архитектуры оценивается в 25% от потребностей здания в отоплении.
Размеры базовой модели дома без открытой террасы - 12 х 8 м, типовые рамные конструкции позволяют реализовать три варианта малоэтажного дома жилой площадью 78,0, 93,7 и 109,4 м , вход как с западного, так и с восточного фасада при зеркальном планировочном решении. Стоимость квадратного метра общей площади - от 25000 руб. Состав помещений - традиционный для дома на одну семью с 1-2 детьми. Суммарный вклад пассивной (архитектура) и активной (коллекторы) солнечных систем за отопительный сезон в условиях южного Приморья - 81%.
3000
2500
2000
1500
1000
500
-500
СРАВНЕНИЕ СРЕДНЕМЕСЯЧНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ И ТЕПЛОВЫХ ПОСТУПЛЕНИИ ЗДАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ А.В.ВОЛКОВА
Рис. 4. Сравнение среднемесячных тепловых потерь и теплопоступлений «Экодома Бо1аг-5»
За рубежом, в основном в Германии и США, создание малоэтажных жилых энергоэффективных зданий является одним из основных направлений обеспечения устойчивого развития экономики в XXI в. и поддерживается государством. Солнечные активные и пассивные системы внедряются повсеместно. Некоторые сведения об индивидуальных жилых домах с солнечным отоплением, введенных в строй в 2000-2007 гг., приведены в табл. 1 [4]. Сравнение лучшего из образцов энергоэффективных зданий Епе^ейкЬаш 100 с предлагаемой инновационной разработкой приведено в табл. 2.
Таблица 1
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ, ВВЕДЕННЫЕ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ
В 2000-2007 гг. (ГЕРМАНИЯ)
Название здания Компания-производитель Страна Лучший
Sonnenhaus Straubing arch Georg Dash Г ермания
Energetikhaus 100 Fasa Ag Г ермания Лучший
Heliotrop arch Rolf Dish Германия
Таблица 2
ВКЛАД СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ЗДАНИЙ «ЕКЕКОЕНКНАШ 100» И «ЭКОДОМ БОЬАК-5»
Параметр Единица измерения Проект- конкурент Предлагаемый проект
Вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания % 97% при t +8° до -10°С 81% при 1 +8° до -24° С расчетный
Следует отметить, что в случае применения системы вентиляции с рекуперацией теплоты в предлагаемой инновационной разработке как в зарубежных аналогах, вклад солнечной энергии в теплоснабжении здания может достигать 95 %, что не хуже, чем лучшие зарубежные аналоги. Также для повышения доли солнечной энергии в отопительной нагрузке здания возможно последовательное увеличение площади солнечных коллекторов.
В 2007-2008 гг. энергоэффективное архитектурное решение здания (архитектор П.А.Казанцев, АрхИД ДВГТУ) прошло экспертизу в Федеральном ин-
ституте промышленной собственности (ФГУ ФИПС). Получен патент РФ на изобретение № 23425007 «Энергоэффективное здание “Экодом Бо1аг-5”», что подтверждает новизну предложенных решений по комбинаторике пассивных и активных систем и новизну решений энергоэффективной архитектурной формы жилого дома, учитывающей инсоляционный и ветровой климат региона [2].
Разработчики комбинированной системы солнечного теплоснабжения и энергоэффективной архитектуры жилого «Экодома Бо1аг-5» (А.В.Волков, О.П.Ковалев, П.А.Казанцев) награждены почетным знаком VIII Международного форума «Высокие технологии XXI века» (г. Москва, 2007 г.), Золотой медалью международной выставки «Альтернативная энергетика» (г. Москва, 2008 г.), дипломом лауреата Национальной экологической премии РФ «Эко-Мир» (г. Москва, 2009 г.).
Каркасный вариант здания прошел согласование в Управлении по архитектуре и градостроительству мэрии Владивостока, начато строительство в пригородной зоне (нулевой цикл), выполнена привязка трех зданий в Хасан-ском районе Приморского края.
В 2009-2010 гг. на основе патента «Энергоэфективное здание “Экодом Бо1аг-5”» автором статьи были выполнены рабочие чертежи двух вариантов мало -этажных зданий с солнечным отоплением - мобильного туристического экомодуля «Бо1аг-5М» (рис. 5) и «социального типа» малоэтажного дома жилой площадью
22
40,0 м (общая - 65,0 м ) для молодых семей и пенсионеров «Бо1аг-8» (рис. 6).
Производство каркасных вариантов предполагается на базе технопарка ДВГТУ на линии С32! фирмы НиКОЕООЕЯ (Германия). Модульное решение туристической версии экодома позволит осуществлять сборку из секций заводской готовности непосредственно на строительной площадке за 3 рабочих дня.
Основное достоинство сезонного варианта туристического экомодуля -возможность продлить туристический сезон на «бархатный» период, без дополнительного отопления даже при первых ночных заморозках. Круглогодичный вариант домика (рассчитан на 75% замещение традиционных источников теплоснабжения, включает 2 спальные комнаты, кухню-столовую и санитарно-
Рис. 5. Мобильный вариант «Экодома Бо1аг-5» - туристический экомодуль «8о1аг-5М»
Рис. 6. «Социальный» тип малоэтажного экодома с солнечным отоплением - «Бокг-Б»
технический блок). В силу его автономности по отоплению и мобильности перспективны варианты использования экомодуля «Solar-5M» как временного офицерского жилья при передислокации воинских частей и для расселения жителей при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Проект туристического экомодуля награжден золотой медалью выставки достижений Дальневосточного федерального округа «За развитие инновационных технологий в домостроении», тестовый экземпляр в настоящее время собирается в технопарке ДВГТУ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: Ресурсы и технические возможности. Владивосток: ДВО РАН, 1994. 40 с.
2. Казанцев П.А. Энергоэффективное здание «Экодом Solar-5»: патент на изобретение RU 2342507. 2008. Бюл. № 28.
3. Цвид А.А. Комплексный учет климата в строительстве на Дальнем Востоке. Благовещенск: ДВ ПромстройНИИПроект, 1967. 232 с.
4. Solar houses: On the way to a mass market // Sun and wind energy. 2007. № 3. Р. 16-27.
