CC BY
127УДК 699.86
ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И ПАССИВНЫЕ СИСТЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Соловьев А.К.
ФГБОУ НИУ МГСУ, кафедра Проектирования зданий, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; kafedraarxitektury @уа^ехги
Аннотация Современность требует всё больших затрат энергии во всех областях жизнедеятельности. При этом в промышленном производстве потребность в энергетических ресурсах практически сравнялась с потребностью в бытовой сфере, то есть при эксплуатации зданий. Рассматриваются результаты исследований, проводившихся в НИУ МГСУ в этой области. Указывается на недостаток чёткой классификации «пассивных» и «активных» приёмов и систем использования солнечной энергии, а также «активных» и «пассивных» домов. Приводятся предложения по такой классификации и определениям. Снижение теплпотерь здания достигается за счет повышения тепловой защиты ограждающих конструкций, а также за счет применения таких объемно-планировочных решений, которые уменьшают теплопотери и используют солнечную энергию для отопления и охлаждения зданий. Рассматриваются такие решения, как атриумы, стены Тромба-Мишеля, пристроенные теплицы-зимние сады, глубокие лоджии. Приводятся результаты исследований на конкретном объекте, показывающие тепловой баланс помещения в здании с пассивной системой использования солнечной энергии. Отмечается, что максимальный эффект пассивных систем использования солнечной энергии достигается в районах с максимальным количеством солнечных дней в году независимо от температуры воздуха в зимний период. Особое внимание уделяется экономии энергии на электрическое освещение. Приводятся основные положения методики определения энергетических затрат на устройство систем естественного освещения зданий. При этом учитываются затраты энергии на восполнение теплопотерь через остекление, а также на ликвидацию теплопоступлений через светопроёмы в летнее время за счёт вентиляции и кондиционирования воздуха. Указывается, что естественное освещение помещений при непостоянном пребывании людей в них с помощью полых трубчатых световодов является эффективным, так как теплопотери и теплопоступления через такие системы - минимальны.
Ключевые слова: Экономия энергии, «пассивные» и «актвные» системы использования солнечной энергии, Атриумы, зимние сады, стены Тромба-Мишеля, световоды, совмещенное освещение, тепловой баланс.
ВВЕДЕНИЕ
Большую нагрузку на окружающую среду создаёт сжигание топлива:
С+О2 СО2 + Н2О Н2 СО3
8+02 802 + Н20 Н2 803 ;
8+03 803 + Н20 Н2 804 ;
N+02 N02 + Н2О Н2 N03;
Образование в облаках больших объёмов кислоты приводит к кислотным дождям, разрушающим материалы и плодородие почвы. Это - экологический фактор, зависящий от интенсивности выбросов продуктов горения.
Другим важным фактором является экономика. Объекты потребления энергии - промышленность 30% и жилые и другие гражданские здания - 70%.В разных странах это соотношение может быть различным. Стоимость энергии постоянно растёт.
Строительство энергоэффективных зданий во всём мире становится основной тенденцией. Снижение энергетических затрат на эксплуатацию зданий значительно снижает экологическую нагрузку на оружающую среду и повышает экономичность эксплуатации зданий. В Европе, Канаде, Австралии и США государство стало стимулировать строительство энергоэкономичных зданий. И это принесло свои плоды. Люди на собственном опыте поняли, что использовать
возобновляемые источники энергии и строить хорошо утепленные здания, а также применять автоматическое регулирование отопления и освещения - это выгодно. Сейчас передвигаясь по дорогам в этих странах на автомобиле можно видеть на индивидуальных домах и на многоэтажных зданиях системы использования солнечной энергии (солнечные коллекторы, солнечные батареи фотоэлементов -«Фотовольтайк», системы горячего солнечного водоснабжения). Первоначальные капитальные вложения в повышение энергэффективности зданий через некоторое время окупаются, а потом начинают приносить прибыль.
В России также издаются законы о повышении энергоэффективности, которые пока не работают [1].
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ
Повышение энергоэкономичности зданий может быть достигнуто разными способами:
1. Теплозащита (конструктивное решение здания).
2. Объёмно-планировочное решение здания (форма здания, соотношение полезной площади и пло щади нару жных о гр аждаю щих констру кций).
3. Ориентация зданий.
4. Применение пассивных систем использования солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий.
5. Применение активных систем использования возобновляемых источников энергии, т.е. специального инженерного оборудования (ветряки, солнечные батареи из фотоэлементов «фотовольтайк», гелиоколлекторы с циркуляцией теплоносителя, системы горячего солнечного водоснабжения, теплонасосы).
6. Современные окна. Повышение сопротивления теплопередаче, выбор оптимальных размеров в зависимости от теплового и светового климата местности.
7. Применение современных систем электрического освещения.
8. Применение автоматического регулирования искусственного освещения в зависимости от присутствия людей и от динамики наружного естественного света.
Некоторые из этих способов зависят только от архитектурно-строительного решения здания. К ним относятся 1-е, 2-е, 3-е, 4-е и 6-е. Остальные средства требуют применения инженерного оборудования. Первые относятся к «пассивным»
средствам. Остальные можно отнести к активным системам повышения энергетической
эффективности зданий. В соответствии с этим «пассивные дома» - такие, где используются архитектурно-строительные средства повышения их энергетической эффективности. Конечно, к этим средствам могут добавляться и такие, где используются элементы инженерного оборудования, то есть активные системы. Это может значительно повысить их энергетическую эффективность. Но это значительно увеличит и капитальные затраты при строительстве.
Рассмотрим «пассивные средства» отдельно:
Тепловая защита зданий в России регулируется одноименным СНиПом 23-02-2003, который устанавливает требования к тепловой защите зданий в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Нормами установлены три показателя тепловой защиты здания:
а) приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций здания, установленное исходя из соображений экономии энергии;
б) санитарно-гигиенический показатель, включающий температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности, которая должна быть выше точки росы и не создавать впечатление «сквозняка» при нахождении вблизи;
в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объёмно-планировочныхрешений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.
Требования тепловой защиты будут выполнены, если в жилых и общественных зданиях будут соблюдены требования показателей «а» и «б» либо «б» и «в». В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования показателей «а» и «б», хотя заведомо ясно, что выполнение показателя «а» ведёт за собой автоматическое выполнение показателя «б».
Согласно п.5.2 СНиПа следует составлять энергетический паспорт здания.
Как правило, выполнение современных норм теплозащиты не позволяет устраивать однородные стены. Так, если до 1993г. было обычным делом применять стены из кирпича толщиной в 2 кирпича (520 мм), то для выполнения требований современных норм потребовалось бы устройство стены из кирпича толщиной 1.2м. Поэтому требуется устройство слоистых конструкций стен с применением утеплителя. А это при неправильной конструкции может привести к намоканию стен.
Летом основной критерий -теплоустойчивость, т.е. ограничение амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности конструкции для предотвращения «барачного эффекта». Это особенно важно при проектировании легких ограждающих
конструкций, особенно утеплённых крыш в мансардах.
Московские нормы МГСН 2.01-94 «Энергосбережение в зданиях» предъявляют требования к теплозащите здания в целом. Нормируется приведенный коэффициент теплопередачи здания как отношение суммы коэффициентов теплопередачи наружных ограждающих конструкций, умноженных на площадь этих конструкций, к суммарной площади ограждающих конструкций, и требуемый коэффициент теплопередачи за счёт воздухопроницаемости здания в целом, формула для расчета, которого приведена в СНиП. Здесь не учитываются теплопоступления от внутренних источников тепла и от солнечной радиации. В Германии - Warmeschutzverordnung - нормы по теплозащите - нормируют максимальный расход энергии на отопление в год, который включает теплопоступления от солнечной радиации и теплопотери за счет вентиляции.
Нормы СНиП 23-02-2003 также определяют этот расход в МДж/м2год.
При этом формула в приложении Г.2 не учитывает теплопотери за счёт вентиляции и воздухопроницаемости здания в целом.
Теплопотери через ограждающий контур называются трансмиссионными. Они составляют около 60% от всех потерь тепла. Теплопотери за счёт вентиляции и проветривания составляют около 30%. Ещё 10% составляют различные потери тепла, в том числе и за счет канализации.
Следует отметить, что повышение теплопередачи стен и перекрытий резко снижает теплопотери только до определенного предела. Затем это снижение становится незначительным и не окупает капитальные затраты на утепление ограждающих конструкций. Это показано последними исследованиями НИИСФ РААСН.
Теплопотери и теплопоступления в здании происходят через наружные ограждения (стены, крыша, частично - пол 1-го этажа). Их площадь, отнесенная к объёму здания, характеризует теплопотери и теплопоступления.
Отношение площади наружной поверхности здания к его объёму только отчасти характеризует теплопотери, так как не учитывает условия теплообмена ограждающих конструкций и их сопротивление теплопередаче. Например, через пол 1-го этажа уходит меньше тепла, чем через стены и крышу.
Чем больше ширина здания, тем меньше теплопотери. С увеличением этажности годовые затраты тепла на отопление ^ год.) снижается, причем с 1 до 3-х этажей - значительно. После 12 этажей это снижение происходит только при условии надёжной герметичности окон и стыков стеновых элементов.
Энергоэкономичность объёмно-
планировочного решения здания можно оценить с помощью отношения величины тепло потерь здания к его полезной площади. Это - УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТЕПЛА.
В процессе разработки объёмно-планировочного решения здания следует, по возможности, располагать помещения здания в соответствии с принципом теплового зонирования. Особенно это касается холодного климата и средней полосы. С наветренной стороны располагается большинство подсобных помещений (лестничные клетки, коридоры, галереи). Такое расположение помещений способствует улучшению воздушного режима здания, экономии тепловой энергии при наступлении похолодания за счёт снижения поступления холодного воздуха вследствие воздухопроницания. Продольное расположение лестничных клеток экранирует с наветренной стороны большую площадь, напротив. Данное решение применимо также для обеспечения инсоляции с южных сторон горизонта при широтной планировке жилых секций.
«Буферные зоны» в объёмно-пространственной структуре здания
«Буферные зоны» размещаются как по периметру здания в виде остеклённых дворов, веранд, лоджий, оранжерей, так и внутри сооружения в виде открытых или закрытых светопрозрачным покрытием внутренних двориков.
Задачи буферных зон в основном - это обеспечить равновесие параметров внутренней среды, отделив её от наружного воздуха:
Обеспечить поступление солнечной энергии в здание в холодный период и защитить внутреннее пространство от перегрева летом.
Смягчить экстремальные воздействия на здание природной среды. Зимой отделить внутреннюю среду от наружной. Летом -обеспечить тягу воздуха через здание, с забором прохладного воздуха из теневых зон.
Создать равновесие между этими воздействиями и микроклиматом внутреннего пространства.
Наиболее эффективные «буферные зоны» -это атриумы. Атриумы широко используются в современной архитектуре как средство повышения комфортности зданий и архитектурной выразительности интерьеров. С точки зрения физики среды они являются средством регулирования микроклимата и снижения энергозатрат здания.
Зарубежный и отечественный опыт
В жилищном строительстве примером может служить комплекс галерейных домов в Зальцбурге(Австрия). Здесь каждые два галерейных жилых дома объединены крытым стеклянной крышей атриумом шириной около 15м. Архитектор Фридрих Брандштеттер создал между домами озелененную буферную зону, создающую в зимнее время и в плохую погоду комфортное пространство для игр детей, обеспечивающее плавный переход от внешней среды к внутренней среде жилых помещений. В жаркий период года открытые фрамуги и входные двери в атриуме обеспечивают вентиляцию и протяжку прохладного воздуха через атриум, снижая в нем
температуру. Традиционно атриум - основа объёмно-пространственной структуры здания -ограниченное от внешней среды пространство, вокруг которых располагаются блоки жилых, общественных или производственных помещений. Большинство современных отелей имеют атриумы. Примером может служить гостиница «Риц -Карлтон» на месте бывшей гостиницы «Националь» (рис.2). В Нью-Йорке в отеле на Таймс Сквер атриум имеет высоту 40 этажей (рис.3).
Однако атриум использовался и в древности, и в современной традиционной архитектуре жилых домов, например, в Средней Азии.
Летом в жарком климате помещения, выходящие окнами в атриум, защищены от солнца. Водоём создаёт испарительное охлаждение. Атриум понижает температуру в помещении на 3-4 градуса.
Рис. 1. Торцовый фасад жилых домов с атриумом,
арх. Фридрих Брандштеттер. Fig.1. Facade of residential buildings with an atrium, architect. Friedrich Brandstetter.
Рис.2. Атриум в отеле Риц-Карлтон в Москве. Fig.2. Atrium at the Ritz-Carlton Hotel in Moscow.
Рис.3. Атриум в отеле Мариот на Таймс Сквер в Нью Йорке
Fig.3. Atrium at the Marriott Hotel in Times Square, New York
Вследствие этого помещения теряют через ограждения атриума гораздо меньше тепловой энергии, чем через наружные ограждающие конструкции здания. Наличие светопрозрачного ограждения, ориентированного на солнечную сторону горизонта, превращает атриум в энергоактивную объёмно-планировочную ячейку здания. С целью использования поднимающегося вверх тепла в верхней зоне атриума предусматривают воздухозаборники и воздушные каналы для циркуляции воздуха, по которым нагретый воздух с помощью вентиляторов направляется в нижнюю часть атриумного пространства и во внутренние помещения.
Рис.4 .Атриум в многоэтажном административном здании.
Fig.4. Atrium in a multi-storey office building.
Атриум может использоваться для активизации воздухообмена и охлаждения в зданиях с большими влаго - и тепловыделениями. С его помощью в высоких зданиях создается «эффект дымовой трубы». При небольшой высоте в вытяжные отверстия устанавливаются
вентиляторы. Для быстрого охлаждения приточные отверстия размещаются в зоне затенения. Наиболее эффективно размещение приточных отверстий в подвалах вблизи холодных стен (рис.4). При этом следует контролировать качество забираемого из подвала воздуха. Подобная система применена в административном здании фирмы «Ространсгаз».
Атриумы можно рассматривать и как зимние сады. Зелёные насаждения в атриуме повышают его эстетические качества, улучшают микроклимат, насыщают воздух кислородом и создают определённый запас энергии. Они создают также положительный психологический эффект.
Требования энергэффективности накладывают определённые ограничения на ориентацию зданий. При этом основное значение имеют солнце и ветер. Солнце - нагревает, ветер - охлаждает. По санитарно-гигиеническим условиям инсоляции нельзя ориентировать на северную сторону горизонта (СЗ, С, СВ) одно - и двухкомнатные квартиры, а также более 2-х комнат в 3-4 комнатных квартирах .
Ориентация светопроёмов на солнечные стороны горизонта может быть причиной перегрева и увеличение затрат энергии на охлаждение помещений. При этом на Севере южные фасады инсолируются больше, чем на Юге. Поэтому в южных районах с точки зрения экономии энергии на охлаждение более целесообразны здания
вытянутой прямоугольной формы с длинными фасадами, ориентированными на Юг и на Север.
Исследованиями установлено, что в холодных районах квадратный и близкий к квадрату план, и объём в форме куба являются оптимальными. В южных районах квадратный план не является оптимальным. Все прямоугольные формы, вытянутые с Севера на Юг, менее благоприятны, чем квадрат. Оптимальная форма - прямоугольный план, вытянутый в направлении Восток - Запад.
Направление и повторяемость ветра в пункте строительства здания характеризует «роза ветров». Её строят по данным СНиП 2.01.01-89 «Строительная климатология».
Продольные стены, имеющие большое число оконных и дверных проемов, стыков панелей, ориентируют так, чтобы направление господствующего в январе ветра по возможности совпадало с продольной осью здания. При этом меньше инфильтрация холодного воздуха и больше экономия энергии.
Для комплексной оценки влияния ветра и солнечной радиации график «розы ветров» рассматривают совместно с изображением секторов неблагоприятной ориентации по условиям теплопотерь от инфильтрации и теплопоступлений от солнечной радиации.
Архитектурно-композиционное решение фасадов разрабатывают с учетом ветровой защиты, размещая балконы, лоджии, выступы в виде горизонтальных и вертикальных рёбер таким образом, чтобы максимально снизить ветровой напор. В жарких странах эти рёбра должны максимально затенять стены для снижения их нагрева солнцем.
Окна являются «глазами» современного здания и его «органами чувств», связывающими внутреннюю и внешнюю среду. Через окна в помещение попадает естественный свет. Чем его больше, тем меньше требуется энергии на электрическое освещение. Через окна зимой проникает солнечная радиация, нагревающая внутренние поверхности помещения. Тем меньше требуется энергии на отопление. Сопротивление теплопередаче самых эффективных современных окон не превышает 1м2Со/Вт, тогда, как сопротивление теплопередаче стены больше 3м2Со/Вт, т.е. в 3 раза больше тепловой энергии
уходит в холодное время через окна, чем через стены. В жаркое время года через окна в помещение поступает большое количество тепла. Это требует дополнительных затрат энергии на вентиляцию и охлаждение.
Кроме того, через окна проникает шум с улицы. Чем больше слоев стекла и чем меньше площадь окон, тем тише в квартире, но тем больше энергии требуется на электроосвещение, так как каждый слой стекла «съедает» 10% световой энергии. Контакт с внешней средой также имеет большое положительное психологическое значение. Чем больше окна, тем больше контакт. В то же время психологическое значение имеет защита от посторонних глаз «Privacy», которая требует уменьшения размеров окон.
Окна и другие светопроемы в зданиях должны быть не больше и не меньше, чем это необходимо. Ещё в начале ХХ в. определение площади окон подчинялось требованию: Sок. ^пола = 1/8. В настоящее время нормируемой величиной является КЕО. Но и это нормирование не всегда обеспечивает минимальные затраты энергии на восполнение теплопотерь через окна, на ликвидацию теплопоступлений через окна и на электрическое освещение. Затраты тепловой энергии и электроэнергии на устройство окон определяются через затраты «условного топлива». Всё это относится к 1м2 площади помещения.
Расчёт затрат условного топлива на устройство светопроёмов можно производить по методике НИИ Строительной Физики РААСН [2].
Естественное освещение зданий с помощью полых трубчатых световодов также является одним из средств повышения энергоэффективности зданий.
Полые трубчатые световоды были разработаны сначала для искусственного освещения. Их изобрели в СССР и в 1970-1980-х годах они широко использовались для искусственного освещения производственных зданий. Затем эта система была в России забыта. В начале XXI века на строительном рынке в России появились световоды, предназначенные для естественного освещения широких многоэтажных зданий и подвальных помещений, куда естественный свет не доходит.
Рис. 5. Освещение подвала световодами Fig. 5. Lighting of the basement with light guides.
Преимущество световодов перед обычными системами искусственного освещения - в том, что световоды экономят электроэнергию, обеспечивают в помещении динамику и непрерывный спектр естественного света. Экономия энергии зависит от времени года и от погоды. Расчеты показывают, что годовая экономия электроэнергии на освещение за счет использования полых трубчатых световодов достигает 40%, которая имеет место в основном в летние месяцы.
Крупнейшее здание, освещаемое с помощью световодов в России, - таможенный терминал морского порта в Санкт-Петербурге. Поставщики световодов в России - фирма «СОЛАРСПОТ» (Италия), «СОЛАТЬЮБ» (США) и «СВЕТОВОД» (Ижевск, Россия) [4].
В НИУ МГСУ были проведены исследования теплопотерь и теплопоступлений в помещении через зенитные фонари и через световоды, создающие в помещении одинаковое значение КЕО [5]. За счёт конструктивных особенностей и малой площади светопрозрачной части световодов они создают во много раз меньшие теплопотери и теплопоступления в помещение.
Пассивные системы использования солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий обеспечивают дополнительное большое снижение общих затрат энергии на отопление и охлаждение зданий. Пассивные системы - это элементы
Рис. 6. Световоды на крыше склада
Fig.6. Light guides on the roof of the warehouse
объёмно-планировочных решений и
конструктивных решений зданий, улавливающие солнечную энергию, проводящие её в глубину здания и накапливающие её там. В нужное время эта энергия отдаётся в воздух помещения и нагревает его. (Охлаждение происходит за счёт вытягивания холодного воздуха из теневых зон, из подвала и т.п. за счёт разницы температур, облучаемых солнцем поверхностей и поверхностей, находящихся в тени).
Элементами пассивных систем являются:
Стена Тромба - Мишеля (солнечный камин). Использовался в древнем Риме (Сохранились солнечные камины в термахв г. Остия, недалеко от Рима). В современной архитектуре стены Тромба используются как в небольших коттеджах, так и в многоэтажных зданиях.
Исследования эффективности пассивных систем в НИУ МГСУ
Исследование эффективности стены Тромба было проведено в НИУ МГСУ в здании коттеджа, запроектированного в поселке Софрино Московской области, но в дальнейшем построенного на ВВЦ, за который авторский коллектив МГСУ получил золотую медаль ВВЦ[8]. На рис.8 показан проект этого коттеджа. Здесь использованы стена Тромба в гараже, ориентированная на юго-восток, а также зимний сад-теплица над гаражом.
Рис.7. Стены Тромба - Мишеля в многоэтажном здании на Лютцовштраеее в Берлине. Солнечные камины (стены Тромба), зимние сады (глубокие лоджии) интегрированы в фасад. Проектный институт ИБУС, Берлин, 1988 г. Fig.7. The walls of Tromb - Michel in a multi-storey building on the LutzovstraBe in Berlin. Solar fireplaces (Tromb walls), winter gardens (deep loggias) are integrated into the facade. Project Institute, IBES, Berlin, 1988.
Рис.8. Коттедж, построенный на ВВЦ, в котором использованы пассивные системы использования солнечной
энергии.
Fig.8.Cottage, built at All-Russian Exhibition Center, which uses passive systems of solar energy.
На рис.9 показана диаграмма теплового баланса зимнего сада-теплицы над гаражом дома, диаграмма, показывающая экономию энергии на отопление в помещении гаража [8]. Как видно из рис.9, система отопления работает в зимнем саду в январе, феврале, ноябре и декабре. В остальное холодное и прохладное время года помещение зимнего сада отапливается за счет солнца и тепла отработанного вентиляционного воздуха. В годовом балансе тепло от солнечной радиации составляет 32.6%. Тепло отработанного вентиляционного воздуха составляет 28.5%. И только 38.9% составляет тепло за счет системы отопления.
Пристроенные теплицы, зимние сады имеют эффективность - до 30% экономии энергии на отопление для примыкающих помещений в год. Для накопления энергии для отопления ночью и в пасмурные дни применяются массивные перекрытия и массивные тёмные внутренние стены в зимних садах, различного типа аккумуляторы, баки с водой, ящики с глауберовой солью. Ночью и в пасмурные дни зимой теплицы отапливаются за счёт воздухообмена с внутренним воздухом помещения, который туда подаётся с помощью вентиляторов.
Погний одоеин тснлоиин fiELuaiic знмпггг. СД.Г генлкцы нал гаражом
77.94 Глж 100Й
1 | . . . . | Tonna il i J Г:ч_:i .1ЧИС*С йенгкля];нштпгй bi. 1 Jyxa
2 Тепло or C0£№*m0fl ра/ишшк-
3 ШШ^Ш - Тсщю зз счст снстсни ттлж
Рис.9. Тепловой баланс зимнего сада-теплицы над гаражом в доме на ВВЦ. Fig.9. Heat balance of the winter garden-greenhouse above the garage in the house at All-Russian Exhibition
Center
Накопители солнечной энергии- это вспомогательные системы пассивного солнечного отопления. Эти системы хорошо накапливают тепло, особенно в случае применения не только гравия, но и эффективных накопителей солнечной энергии, таких, как вода и глауберова соль. Однако они имеют значительные недостатки:
а) При отсутствии солнца, если не закрывать остекление теплоизолированными ставнями, накопители будут охлаждать помещение. (Циркуляция воздуха наоборот).
б) Устройство возможно только при высоком цоколе или при расположении здания на южном склоне.
В сумме сочетание нескольких элементов пассивных систем может обеспечить около 40% экономии энергии на отопление.
Применение специального инженерного оборудования не относится к пассивным системам. Это - скорее активные системы. Они требуют значительных капитальных затрат, но в сочетании с пассивными системами могут обеспечивать значительную экономию энергии в зданиях.
Так что же такое «пассивные здания»?
Для того, чтобы определить это понятие, необходимо сначала ввести понятие о первичной энергии, потребляемой в здании на отопление, охлаждение, освещение и на другие бытовые нужды. Общее энергопотребление дома предлагается рассчитывать по первичной энергии. При этом складывать показатели электрической и тепловой энергии нельзя, поскольку затраты на их производство различны. Эти показатели приводятся к общему знаменателю с помощью установленных коэффициентов, приведенных в специальной литературе [5]. В России эти показатели приводятся друг к другу с помощью количества «условного топлива». Этот критерий положен в основу расчёта энергозатрат на устройство систем естественного освещения зданий, разработанного НИИ Строительной физики РААСН [2].
Затраты энергии на отопление зданий в зимний период оцениваются количеством удельного расхода энергии на отопление зданий в кВтч/ м2 год.
Таблица 1. Классификация зданий в зависимости от их уровня энергопотребления в Европе и России: [5] Table 1. Classification of buildings depending on their level of energy consumption in Europe and Russia
Класс энергоэффективности Удельный расход тепловой энергии кВтч/м 2год
В Европе В России В Европе В России
Пассивный дом <15 <или=15
А Ультранизкое потребление <30 16 - 35
В Низкое потребление <50 36 - 60
С Пониженное потребление <70 60 - 100
Б Существующее потребление <90 95 - 195
Е <120
Б <160
в >160
Основной критерий «пассивного дома»: Удельный расход тепловой энергии на отопление не должен превышать 15 киловат часов на квадратный метр в год. Для сравнения в Москве в малоэтажных зданиях составляет 150 -300 кВтч/м 2год, т.е. в 10 - 20 раз больше.
Второй критерий, которому должен соответствовать «пассивный дом» - общее потребление первичной энергии не должно превышать 120 кВтч/м 2год. Для сравнения, в доме, который считается просто энергоэффективным, этот показатель составляет около 250 кВтч/м 2год.
Строительство «пассивных домов» во всем мире находится всё еще в стадии эксперимента. Однако применение активных систем для снижения потребления первичной энергии, будучи простимулировано государством в Европе и США, расширяется с большой скоростью. В России можно насчитать около 10 проектов, осуществлённых в натуре, которые не показали значительную эффективность [6]. Можно говорить о том, что климат России не подходит. Однако даже в Финляндии строительство индивидуальных жилых домов с пассивными системами использования солнечной энергии достаточно распространено. Продолжение работы в этой области необходимо, в том числе и в таких солнечных районах России, как Забайкалье, Читинская область, Крым и Северный Кавказ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон ФЗ №261 «Об энергосбережении и энергоэффективности». Москва. 2009.
2. Пособие по расчету и проектированию естественного, искусственного и совмещенного освещения. (к СНиП П 4-79). М. Стройиздат. 1985.
3. А.К.Соловьёв. «Физика среды». М. Издательство АСВ. 2015.
4. Kusnetsov Л.Ь., Oseledets Б.1и., 8о1оууоу
A.K., Stolyarov M.V. //Light &Engineering. 2012. T.20. N 3.
5. Соловьёв А.К., Туснина О.А. Сравнительный теплотехнический расчет систем верхнего естественного освещения (зенитные фонари и полые трубчатые световоды) // Инженерно-строительный журнал. 2014. №2 (46). С.24-35.
6. Passive House Institute. Darmstadt. 2014. Март 2014. [Электронный ресурс ] URL: http:// passive de.
7. Хохлова Л.П. Коттеджи с солнечным энергоснабжением. //Жилищное строительство. 2005. №8.
8. А.К.Соловьёв. Солнечная архитектура (комфорт и экономия энергии). // Красивые дома. 2000. №1.
REFERENCES
1. Federal Law No. 261 "On Energy Saving and Energy Efficiency". Moscow. 2009.
2. Manual for the calculation and design of natural, artificial and combined lighting. (to SNiP P 479). M. Stroiizdat. 1985.
3. A.K. Solovyev. "Physics ofthe environment". M. ACB. 2015.
4. Kusnetsov A.L., Oseledets E.Ju., Solovyov A.K., Stolyarov M.V. //Light &Engineering. 2012. T.20. N 3.
5. Solovyev AK, Tusnina OA Comparative thermotechnical calculation of systems of the upper natural light (zenith lanterns and hollow tubular light guides) // Engineering and construction magazine. 2014. №2 (46). P.24-35
6. Passive House Institute. Darmstadt. 2014. Март 2014. [Электронный ресурс ] URL: http:// passive de.
7. Khokhlova L.P. Cottages with solar energy. // Housing construction. 2005. № 8.
8. A.K. Solovyev. Solar architecture (comfort and energy saving). // Beautiful houses. 2000. № 1.
ECONOMY OF ENERGY AT THE OPERATION OF BUILDINGS AND PASSIVE SYSTEMS OF
USE OF SOLAR ENERGY
Solovyov AK
SUMMARY: Today it is necessary to spend more and more energy in all branches of life. Now In industry the necessity of energy consumption practically become the same as in housing. The results of investigations, carried in Moscow University for civil engineering, are discussed. Some common principles of determination "Passive House" - sy stemare discussed. Different elements of"Passive House" architectural and structural design are analyzed. It is proposed, that "Passive House" may be determined as a house, which is supplied only with architectural and structural elements providing economy of energy for heating, without use of engineering equipment, and , especially, by means of solar energy and other untraditional types of energy. It is emphasized, that the maximal effect of passive solar systems can be obtained in regions with maximal amount of sunny days in the year independent of the temperature in winter period.
Keywords: Saving energy; "passve" and "active" systems of solar energy use, atriums, Tromb walls, light pipes, supplementary lighting, heat balance.
