CC BY
198
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 17 = ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
Архитектурный проект «Энергоэффективное здание «Экодом Solar-5»
П. А. Казанцев,
кандидат архитектуры, профессор кафедры дизайна ДВГТУ, член Союза архитекторов России и Международного общества солнечной энергии ISES
Особенности климата южной части Дальнего Востока позволяют при грамотном подходе к проектированию архитектуры зданий практически полностью отказаться от традиционных источников отопления и горячего водоснабжения в малоэтажной застройке. Используя основные приемы формирования пассивной солнечной архитектуры при разработке проекта «Энергоэффективное здание «Экодом Solar-5», предполагается обеспечить до 57% замещения традиционных источников тепла в холодное время года.
Ключевые слова: экологическая архитектура, солнечная архитектура, дома с пассивным солнечным отоплением, энергоэффективное здание.
Природно-климатические условия Приморского края - одни из наиболее благоприятных 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 излучения оценивается в 1900-2400 часов в год (одна из самых высоких по России). На юге Приморья годовой показатель солнечной радиации на квадратный метр составляет 1681,3 кВт -ч, и большая ее часть приходится на зимний период [1].
По наблюдениям, в некоторых зданиях в солнечный январский день воздух прогревается до плюс 18-20 °С даже при отключении отопления (шлакоблочные стены 0,6-0,7 м с оконными проемами 1,5x1,5 м, ориентация окон к юго-западу, гарантированная инсоляционная зона открыта для непрерывной 6-часовой инсоляции; продолжительность наблюдения - 3 суток, Владивосток).
Графоаналитические и расчетные методы, разработанные к настоящему времени в исследованиях по аэродинамике и инсоляции зданий, позволяют проводить качественную и количественную оценку перераспределения солнечной радиации и изменения ветрового режима под влиянием различных пространственных ситуаций и, следовательно, моделировать пространственные ситуации с заданными микроклиматическими параметрами еще на стадии эскизного архитектурного проектирования.
Прогнозируемость результатов взаимодействия архитектурной формы с векторными климатическими факторами (ветер и солнечная радиация) позволяет проектировщику добиваться заметного улучшения показателей микроклимата в границах формируемых открытых пространств (улиц, дворов, скверов) и внутренних (закрытых) пространств тех или иных зданий именно на стадии проработки архитектуры проекта, используя инженерно-техниче-
ские средства формирования комфортного микроклимата в ряде случаев уже как вспомогательные. С этой точки зрения современная архитектурная концепция малоэтажного жилого дома с солнечным отоплением (солнечного дома), рассматриваемая ниже, может быть представлена как результат практического моделирования автономного от традиционных источников теплоснабжения пространства.
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. Обтекаемая в плане и в вертикальном сечении внешняя конфигурация ветрозащитного экрана приводит к минимизации площади взаимодействия объема здания и холодного зимнего ветра с севера.
Отсекая внутреннее пространство «подковы» с юга от внешней среды энергосберегающим витражом, мы 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 комфортные температуры 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 низкое зимнее солнце,- размещение солнечных коллекторов и фотобатарей (рис. 1).
№41ШШМ
= 18
Энергобезопасность и энергосбережение
ПЕРЕГРЕВ В ИЮЛЕ И АВГУСТЕ
«ТЕПЛЫЙ» СЕКТОР НЕБОСВОДА
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СТЕКЛОПАКЕТ
«КОНЬКОВЫЕ» ОКНА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ИНСОЛЯЦИЮ СЕВЕРНЫХ КОМНАТ И ПРОВЕТ-ЗИМНИЙ ВЕТЕР РИВАНИЕ ДОМА В ЛЕТНИЙ ПЕРЕГРЕВ
«ВЕТРООТБОЙНЫЙ» КОЗЫРЕК СЕВЕРНОГО СКАТА КРОВЛИ
% N
ТЕРМАЛЬНЫЙ МАССИВ ЗА
СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
ПАНЕЛИ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ: ДО 30 КВ. МЕТРОВ
СОЛНЕЧНЫЙ КОНВЕКТОР ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
ЮЖНЫМ ВИТРАЖОМ
Рис. 1. Решение энергоэффективной архитектуры индивидуального жилого дома Бо!аг—5
С наветренной стороны стена и скатная кровля солнечного дома могут быть превращены в зеленый холм, что не только защитит от холодного северного муссона, уведя ветер вверх, но и будет способствовать дополнительному сбережению накопленного массивными конструкциями солнечного тепла. Летнее затенение юго-западных и западных секторов горизонта обеспечат внешние зеленые экраны из растений. 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 инновационный архитектурный проект «Энергоэффективное здание «Экодом Бо1аг-5» (рис. 2) относится к технологиям использования солнечной энергии в архитектуре и строительстве для децентрализованного теплоснабжения индивидуальных малоэтажных зданий. Проект направлен на снижение зависимости потребителей от централизованного снабжения энергоресурсами, повышение безопасности проживания, улучшение социальных и экологических условий проживания населения, создание доступного и комфортного жилья.
Проект разработан совместно профессором кафедры дизайна Института архитектуры, искусств и дизайна ДВГТУ Павлом Казанцевым (архитектура здания) и сотрудниками лаборатории нетрадиционной энергетики Института проблем морских технологий ДВО РАН инженером Александром Волковым и д.т.н., профессором Олегом Ковалевым (активная система солнечного теплоснабжения). Размеры базовой модели дома без открытой террасы - 12x8 метров, типовые рамные конструкции позволяют реализовать три варианта малоэтажного дома жилой площадью 78,0; 93,7 и 109,4 м2, вход как с западного, так и с восточного фасада при зеркальном планировочном решении. Стоимость квадратного метра общей площади оценивается от 25 000 руб. Состав помещений - традиционный для дома на одну семью из 3-4 человек.
Рис. 2. Внешний вид экодома
Отличительными чертами архитектуры здания являются подчинение его формы годовому ходу солнечных координат и господствующим зимним ветрам, а также решение проблемы комбинаторики архитектуры здания и активных солнечных систем - солнечной водонагревательной установки ИПМТ ДВО РАН и фотоэлектрической 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.
Проведенные по экодому Бо1аг-5 расчеты показывают, что реализация принципов формирования энергосберегающей архитектурной формы позволит даже в наиболее холодную зимнюю пятидневку (-24 °С) компенсировать до 38% затрат на отопление здания. В обычных зимних условиях (-14 °С) прямая инсоляция термальных массивов зимнего сада, гостиной и стены Тромба компенсирует 57 % потребностей дома в тепле (приведены расчетные данные А. В. Волкова, ИПМТ ДВО РАН, для климатических условий южного Приморья, рис. 3). При этом порог
ВВВДИИВШИ
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 19 =
экономической целесообразности использования тех или иных приемов пассивной и активной солнечной архитектуры оценивается в 25% от потребностей здания в отоплении.
Установка активных солнечных систем на здания традиционной архитектуры, как правило, ведет к снижению их эффективности, что компенсируется «лишними» панелями коллекторов, ведет к удорожанию системы. Поэтому к достоинствам архитектуры экодома Бо1аг-5 следует отнести решение проблемы комбинаторики архитектуры и активной системы солнечного тепло- и электроснабжения. Углы южного ската кровли и конькового витража подбирались с учетом максимальной теплоотдачи активной солнечной системы в зимний период. В том числе был использован эффект отражения прямой солнечной радиации южным скатом кровли в область размещения вакуумных панелей при низком солнцестоянии. Геометрия кровли рассчитана на размещение до 15 м2 солнечных коллекторов водяного отопления (до 0,8 кВт с 1 м2) и дополнительно фотоэлектрической системы максимальной мощностью до 3 кВт.
Активная комбинированная солнечная система представляет собой сочетание комбинированной солнечной водонагревательной установки с дублирующим источником тепловой энергии и солнечной фотоэлектрической установки. Солнечная водона-гревательная установка предназначена для теплоснабжения здания (горячее водоснабжение и частичная компенсация тепловых потерь здания). Недостаток тепловой энергии восполняется дублирующим источником тепловой энергии. Солнечная фотоэлектрическая установка служит для электропитания насоса и системы автоматики солнечной водонагревательной установки и насоса системы отопления здания, а также освещения внутри и снаружи здания. В качестве дублирующего источника тепловой энергии в комбинированной солнечной водонагревательной установке могут быть применены: котел, работающий на отходах деревообработки, например пеллетах, электрический нагрев от ветровой установки или любой другой генератор тепловой энергии.
Солнечная установка при площади коллекторов 15 м2 должна обеспечить снижение выбросов в атмосферу (в сравнении с индивидуальным жилым домом сопоставимых размеров и традиционной системой отопления): до 5700 кг СО2, до 185 кг Б02, до 17,5 кг
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
-500
Месяц
Рис. 3. Сравнение среднемесячных тепловых потерь здания и поступлений тепловой энергии
N0^ до 17580 кг загрязненных дымовых газов; снизить потребление атмосферного кислорода до 3690 кг; уменьшить количество отходов до 1325 кг золы в год (по данным лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН).
Суммарный вклад пассивной (архитектура) и активной (коллекторы) солнечных систем за отопительный сезон - 81%.
Проведенный поиск и оценка аналогов показали, что в России есть несколько групп специалистов, разрабатывающих энергосберегающие дома. В основном при разработке такого дома уделяется внимание усиленной теплоизоляции и возможности использования солнечной энергии для горячего водоснабжения. Пассивная солнечная система представлена как теплица или зимний сад, пристроенный к стене здания, а архитектуре, с точки зрения ее энергоэффективности, внимание практически не уделяется.
За рубежном, главным образом в Германии и США, созданию энергоэффективных зданий уделяется много внимания. Выполнены демонстрационные проекты для умеренного климатического пояса северного полушария. Солнечные активные ситемы внедряются повсеместно. Некоторые индивидуальные жилые дома с солнечным отоплением, введенные в строй в 2000-2007 гг., приведены ниже в табл. 1. Сравнение лучшего из образцов энергоэффективных зданий Епе^е'ЦкЬаиБ 100 [2] с предлагаемой инновационной разработкой приведено в табл. 2.
Таблица 1
Название здания Компания-производитель Страна
Sonnenhaus Straubing arch Georg Dasch Германия
Energetikhaus 100 Fasa Ag Германия
Heliotrop arch Rolf Dish Германия
= 20
Энергобезопасность и энергосбережение
Таблица 2
Параметр Проект-конкурент Предлагаемый проект
Вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания 97% при t +8, до-10°С 81% при t +8, до -24 °С
Следует отметить, что в случае применения системы вентиляции с рекуперацией теплоты в предлагаемой инновационной разработке, как в зарубежных аналогах, вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания может достигать 95%. Также для повышения доли солнечной энергии в отопитель-
ной нагрузке здания возможно последовательное увеличение площади солнечных коллекторов. Каркасный вариант здания прошел согласование в Управлении по архитектуре и градостроителству мэрии Владивостока, начато строительство в пригородной зоне.
Интересно знать...
P Западные СМИ активно обсуждают «газовую революцию», связанную с ростом добычи газа из месторождений сланца. В США за последние три года производство сланцевого газа возросло с 2 до 11, 36% от общего объёма газодобычи в стране. Для оценки потенциала и целесообразности добычи сланцевого газа в России потребуются анализ всех экономических, политических и экологических аспектов данного вопроса и комплекс научно-исследовательских и геологоразведочных работ.
P Японская конструкторская фирма The Shimizu Corporation предложила самый широкомасштабный план в истории человечества по получению солнечной энергии. Предполагается построить пояс солнечных панелей вокруг экватора Луны, длина которого будет составлять 6800 миль (11 О00 километров).
P В Сингапуре начато строительство невиданного ботанического сада Bay South, который будет состоять искусственных «деревьев» высотой от 30 до 55 м, оплетенных лианами и тропическими растениями. Функцией этих «деревьев» станет накопление солнечной энергии и дождевой воды и последующее орошение и освещение территории сада.
По материалам www.izobretenija.ru,www.tek-russia.ru
Литература
1. Попов Э. Край солнца и туманного будущего [Электронный ресурс]. Код доступа: www.zrpress.ru
2. Построй свой дом [Электронный ресурс]. Код доступа: www.mensh.ru
ВВИМИВШИ
