Энергоэффективная архитектура зданий в смешанном климате Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

1|Н

.1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 721:72.036

А.Т. ДВОРЕЦКИЙ, д-р техн. наук ([email protected]), К.Н. КЛЕВЕЦ, инженер,

Д.А. ДВОРЕЦКИЙ, инженер

Крымский федеральный университет им В.И. Вернадского (295033, Симферополь, ул. Вернадского, 4)

Энергоэффективная архитектура зданий в смешанном климате

Основным фактором, влияющим на архитектуру энергоэффективных зданий, является климат. Проанализированы особенности климата в Крыму, который можно отнести к смешанному типу: с холодной зимой и жарким летом. При этом архитектура энергоэффективных зданий смешанного климата должна иметь признаки двух типов: с преобладанием летнего климата и с преобладанием зимнего климата, но не конфликтующие между собой. В связи с этим актуально совершенствование и развитие типологии зданий с учетом энергоэффективности. Проанализированы признаки энергоэффективных зданий и даны рекомендации по формообразованию оболочки здания, применению конструкций и устройств для охлаждения здания в жаркий период года и нагрев, в том числе пассивный, в холодное время года, направленных на повышение энергоэффективности зданий в смешанном климате.

Ключевые слова: энергоэффективность, энергоэффективное здание, архитектура, ресурсосбережение, смешанный климат, типология, пассивный нагрев, солнцезащитное устройство.

A.T. DVORETSKY, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), K.N. KLEVETS, Engineer, D.A. DVORETSKY, Engineer Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky (4, Vernadskogo Street, 295033, Simferopol, Russian Federation)

Energy-Efficient Architecture of Buildings in Mixed Climate

A main factor influencing on the architecture of energy-efficient buildings is the climate. Peculiarities of the climate in Crimea, which can be attributed to the mixed type with cold winter and hot summer, are analyzed. At that, the architecture of energy-efficient buildings of the mixed climate must have the characteristics of two types: with a predomination of summer climate and with a predominance of winter climate but not conflicting with each other. In this regard, the improvement and development of the typology of buildings with due regard for energy efficiency is actual. The characteristics of energy-efficient buildings are analyzed; recommendations on shaping of the building envelope, the use of designs and devices for cooling the building during the hot period of the year and heating, including passive one, during the cold period of the year aimed at improving the energy efficiency of buildings in the mixed climate are made.

Keywords: energy efficiency, energy-efficient building, architecture, resource saving, mixed climate, typology, passive heating, shading device.

Климат оказывает значительное воздействие на выбор вариантов сохранения энергии и функций пассивного солнечного отопления и охлаждения и, в свою очередь, на архитектуру здания. Отношения между этими факторами и климатом имеют достаточно возможностей, чтобы существенно снизить затраты на отопление и охлаждение здания.

Индикаторами реализации принципа двойственности Доктрины градоустройства и расселения [1, 2] является, с одной стороны, количественная оценка загрязнений, с другой стороны, количественные характеристики состояния качества жизни и уровня человеческого потенциала на урбанизированной территории и установление корреляционных зависимостей между ними.

Например, степень реновации территории от отходов и вовлечение ее в хозяйственный оборот; объем инвестиций в «зеленые» отрасли промышленности и создание новых рабочих мест; доступность жилья; снижение потребления энергоресурсов на обеспечение жизнедеятельности городов; уменьшение выбросов углекислого газа и пр.

Впервые категория «энергетическая эффективность» была использована в документах Конференции министров окружающей среды в г. Орхусе «Окружающая среда для

14| -

Европы» (Дания, июнь 1998 г.). В декларации, принятой на этой конференции, было заявлено, что «...политика в области энергоэффективности является одним из важнейших элементов достижения национальных и международных задач в области экономики, охраны окружающей среды, устойчивого энергоснабжения и технологии, оказывающих воздействие на качество жизни (Алексашина В.В. Архитектура и строительство промышленных предприятий. Термины, определения, понятия. Словарь-справочник. М.: Архитектура С, 2009. 392 с.).

В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» повышение энергоэффективности обозначено как высший приоритет государственной энергетической политики.

Энергоэффективность предполагает не просто эффективное использование ресурсов, в том числе и в топливно-энергетическом секторе, но и является средством регулирования благоприятной среды обитания.

Архитектурная типология изучает в том числе и влияние климатологии, архитектурной светотехники и акустики, требований санитарной гигиены и безопасности на архитектуру зданий и сооружений; определяет количественные и качественные параметры зданий и сооружений, соответствующие современному уровню развития,

^^^^^^^^^^^^^ 32015

Научно-технический и производственный журнал

To realization of the annual General meeting of RAACS, Kursk of April, 21-24 201 5

Рис. 1. Стена Тромба

Рис. 2. Блокированные дома

Рис. 3. Террасированные дома

Рис. 4. Дом с обваловкой: 1 — грунт

Рис. 5. Схема устройства галерейно-го дома

Рис. 6. Схема устройства летнего помещения для тепловой защиты: 1 — летние лучи; 2 — зимние лучи

материальным и культурным потребностям и возможностям общества. В этой связи особое значение на современном этапе развития человечества приобретает сохранение, поддержание, воспроизводство природной среды; переход на энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии.

Сложную и развитую систему классификации зданий можно дополнить разделом на основе признаков энергоэффективности зданий, учитывающих климатические особенности, региональные особенности в строительстве, национальные традиции, ландшафт и др.

Условно климат в Европе и Европейской части России можно поделить на три типа: зимний доминирующий климат; летний доминирующий климат; смешанный климат.

Зимний доминирующий климат (северные страны Европы и северные районы Европейской части России. Средняя зимняя температура в январе -10, -20оС, средняя летняя в июле +10оС). Энергоэффективная архитектура зданий должна подчиняться главному условию - защите здания от охлаждения в течение значительного периода года. В этой связи характерными особенностями энергоэффективной архитектуры районов с зимним доминирующим климатом являются:

- энергоэффективная форма здания с оптимальным коэффициентом компактности [3];

- остекление северного фасада минимальное или по возможности вовсе отсутствует;

- низкая теплопроводность ограждающих конструкций, соответствующая градусо-суткам отопительного периода (для России по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003») [4];

- зонирование внутреннего пространства здания - максимальное окружение жилых помещений вспомогательными помещениями с температурой внутреннего воздуха не ниже 12оС. В энергоэффективных домах жилые, отапливаемые помещения группируются вместе и располагаются в южной части здания, а неотапливаемые, в свою очередь, группируются в северной части здания, выполняя роль буферных помещений;

- пассивный солнечный нагрев здания (помещения для нагрева, стена Тромба (рис. 1) и др.) является одним из нескольких подходов к проектированию под общим названием пассивного солнечного дизайна. В сочетании должным образом эти подходы могут способствовать отоплению, охлаждению и естественному освещению почти для любого здания;

- блокированные дома (рис. 2). Такой прием, как «блокировка», благодаря снижению площади наружных стен позволяет снизить теплопотери до 40% [5], а материалоемкость строительства снижается на 8-10%; также этот прием снижает площадь застраиваемой территории на 30-40%, сокращает протяженность коммуникаций и т. д. Целесообразно группировать не более пяти объектов, так как при увеличении числа сблокированных объектов энергоэффективность снижается. Во всех случаях высота здания два этажа [6];

- использование рельефа для тепловой защиты здания - террасированные дома (рис. 3). Ориентация таких зданий должна быть строго южной, тогда северный фасад будет «утеплен» рельефом, а в плане, в северной части здания будут размещаться подсобные, неотапливаемые и не требующие естественного освещения помещения;

1|Н

.1

Научно-технический и производственный журнал

щ

Рис. 7. Студия Alejandro Sanchez Garcia Arquitectors. Частный дом (Мексика)

Рис. 8. Проект итальянского архитектора Иоза Гини

Рис. 9. Солнцезащитная форма оболочки: 1 — летние лучи; 2 — зимние лучи

Рис. 10. Архитектурная студия McClellan Architects. Lake House 2

Рис. 11. Солнцезащитное устройство. Дом возле Качи, Республика Крым. Проект Н. Шарова, М. Моргуновой

жилые помещения [X] - летние помещения

Рис. 12. Схемы зонирования

- дома, в которых для повышения экономии энергии использован прием обваловки или заглубления (рис. 4). Одним из главных аспектов проектирования таких зданий является определение объема обсыпки, от которого будет зависеть количество сэкономленной энергии. Чем более протяженное и менее компактное здание, тем выше будут показатели теплопотерь. Но при этом из-за того, что земля летом холоднее, чем здание, тепло из него будет переходить в землю, что будет являться способом охлаждения здания. В таком случае при проектировании в жарком климате здание с большей поверхностью будет иметь преимущество с точки зрения его охлаждения;

- галерейные дома. В случае необходимости увеличения плотности застройки обычно увеличивается этажность жилых домов. Но если мы говорим об экономичном возведении и эксплуатации жилого дома, то его этажность не должна превышать пять этажей, так как в этом случае нет необходимости устройства лифта. При увеличении этажности наиболее подходящим для энергоэффективного строительства будет галерейный тип дома (рис. 5).

Неотапливаемая галерея и коммуникационные узлы могут служить буферными зонами на северном фасаде, тогда (если речь идет о жилом доме) квартиры будут иметь одностороннюю южную ориентацию. Для увеличения компактности и во избежание перегрева кухни можно располагать с окнами, выходящими в галерею, а также предусматривать летние помещения на юге, которые будут служить для нагрева воздуха в холодные месяцы года.

Летний доминирующий климат (южные страны Европы. Средняя зимняя температура в январе +10оС, средняя летняя в июле +25оС). Энергоэффективная архитектура зданий должна подчиняться главному условию - защите здания от перегрева в течение значительного периода года. В этой связи характерными особенностями или признаками

1б| -

энергоэффективной архитектуры районов с летним доминирующим климатом являются:

- зонирование внутреннего пространства здания - применение помещений для тепловой защиты (веранды, оранжереи, внутренние дворики, зимние сады, лоджии или террасы) (рис. 6, 7);

- теплопроводность ограждающих конструкций, соответствующая градусо-суткам отопительного периода (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003»);

- солнцезащитная форма оболочки здания, не пропускающая солнечные лучи в жилые помещения (рис. 8, 9);

- конструктивные элементы здания в качестве солн-цезащиты (неостекленные лоджии и террасы, внутренние дворики, свесы кровли, козырьки) (рис. 10);

- светопрозрачные конструкции с максимальным отражением солнечной радиации. Тепловой поток, отраженный от остекления, не имеет теплового воздействия на пространство за остеклением;

- наружные стационарные и трансформируемые солнцезащитные устройства (рис. 11). Внешнее затенение све-топрозрачной конструкции наиболее эффективно и позволяет уменьшить количество излучения (особенно прямого излучения), падающего на остекление, влияя тем самым на температуру пространства позади стекла. Эффективность затенения зависит от типа солнцезащитного устройства и его размещения по отношению к стеклу. Конструкция солнцезащитного устройства может быть спроектирована за счет графических или аналитических инструментов. Одним из таких инструментов является солнечная карта.

Смешанный климат (климат Крыма, кроме южного берега. Средняя температура в январе -3оС, с холодной пятидневкой 18оС и со средней температурой в июле 22оС и жаркой пятидневкой 25оС).

^^^^^^^^^^^^^ 32015

Научно-технический и производственный журнал

To realization of the annual General meeting of RAACS, Kursk of April, 21-24 201 5

Рис. 13. Дом под Симферополем. Проект А.Т. Дворецкого

^Яни»

Рис. 14. Стадия проектирования

4 *' Г

' < р 'ЖШ

Рис. 15. Принципиальная схема устройства оранжереи для нагрева воздуха: 1 —

2 — зимние лучи

летние лучи;

Рис. 16. Оранжерея для солнечного нагрева

Энергоэффективная архитектура для смешанного климата должна иметь признаки, относящиеся к двум первым типам климата, но не конфликтующие между собой. К тому же солнечная энергия в Крыму имеет значительный потенциал - до 2500 солнечных часов в год. Учет солнечной энергии при отоплении и охлаждении здания рассмотрен в [7].

Выделим основные признаки энергоэффективных зданий для смешанного климата:

- общая схема функционального зонирования, которая соответствует энергоэффективным жилым домам для смешанного климата, представлена на рис. 12. С северной стороны здания располагаются нежилые помещения с температурой не ниже +12оС в качестве буферных. С южной стороны здания размещены помещения для воздушного нагрева здания и 40-50% окон здания [8];

- солнцезащитная форма оболочки здания может быть той, которая представлена на рис. 8, с одним дополнением: помещение перед жилым помещением должно иметь све-топрозрачное ограждение;

- теплоизоляционные свойства оболочки здания должны иметь коэффициент сопротивления теплопередаче не ниже минимально допустимого для 45 широты (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003»);

- устройство остекленных помещений, служащих для нагрева воздуха. Это могут быть остекленные веранды, оранжереи, зимние сады. Они также являются буферными (неотапливаемыми) помещениями, но располагаются не в северной, а в южной части дома, где они будут подвергаться прямым солнечным лучам в холодный период года. Для того чтобы этого не происходило в летний период, необходимо предусмотреть солнцезащитные устройства. Более подробное описание выбора формы, места и ориентации помещения для нагрева воздуха описаны в [7, 8];

- важными элементами в конструкции энергоэффективного здания в смешанном климате являются солнцезащитные устройства.

Часть признаков энергоэффективного здания реализована при проектировании и строительстве энергоэффективного дома под Симферополем (рис. 13).

С учетом холодного времени года:

- ориентация максимально остекленного фасада здания южная. На южный фасад приходится 50% площади окон (рис. 14). Остекление северного фасада минимальное или отсутствует. На северный фасад приходится 10% площади окон;

- зонирование внутреннего пространства здания - выделение части нежилых помещений (тамбура и лестничной клетки) в буферные с температурой 12оС (рис. 12). Это позволяет сократить расходы на отопление на 12% в холодную пятидневку и до 20% за весь отопительный период;

- помещение для пассивного солнечного нагрева подробно рассмотрено

в (Патент Украины 49144. Пристрм для обiгрiву примщення / Дворецький А.Т.: зарегистрировано 26.04.2010). Площадь светопрозрачной конструкции помещения (оранжереи) равна 12 м2 (рис. 15, 16). Среднечасовая интенсивность солнечной радиации на вертикальный фасад в январе 17 Вт/ч [9]. Нагретый воздух с помощью вентилятора и системы воздуховодов подается в жилые помещения. Холодный воздух из жилых помещений поступает в оранжерею. Осуществляется пассивный нагрев здания. В январе тепловые поступления от пассивного нагрева через окна южной ориентации и помещения для солнечного нагрева составляют 0,2 Вт/ч.

С учетом жаркого времени года:

- помещения для тепловой защиты. Застекленная веранда, защищающая пространство перед входом в здание от перегрева летом и дающая тепло в солнечные дни зимой;

- конструктивные элементы здания в качестве солнце-защиты. В летние месяцы часть окон южного фасада защищена от высокого солнца выступом мансардного этажа (площадь первого этажа 50 м2, площадь мансардного этажа 56 м2. Для защиты от перегрева используются лиственные деревья;

- теплоизоляционные свойства оболочки здания имеют коэффициент сопротивления теплопередаче не ниже минимально допустимого для 45 широты: для стен - 2,8; окон и дверей - 0,6; перекрытия над цоколем - 3,3; перекрытия между этажом и мансардой - 2,8;

- тепловые потери здания в холодную пятидневку составляют 2,1 КВт/ч;

- пассивный солнечный нагрев здания в холодную пятидневку обеспечивает 10% необходимого тепла через оранжерею (Патент Украины 49144. Пристрм для обiгрiву примь щення / Дворецький А.Т.: зарегистрировано 26.04. 2010);

- за весь отопительный период доля пассивного солнечного нагрева здания достигает 20%;

- суммарная экономия энергетических ресурсов за отопительный период в результате пассивного солнечного нагрева и зонирования помещений здания составляет около 30%.

1|Н

.1

Научно-технический и производственный журнал

Выводы

Предметом настоящей статьи являются архитектурно-планировочные решения, способствующие повышению энергоэффективности зданий. Инженерные решения должны приниматься после всестороннего учета архитектурных решений, направленных на повышение энергоэффективности зданий. Это позволит значительно сократить затраты на отопление и охлаждение зданий и окажет существенное положительное влияние на биосферную совместимость отдельных зданий и городов в целом.

Требования к энергоэффективному строительству, в частности учет архитектурных особенностей зданий для смешанного климата, таких как пассивный солнечный нагрев здания, солнцезащита здания, должны быть закреплены в строительных нормах.

Стимулирующим фактором в проектировании и возведении энергоэффективных зданий может быть закон о привязке цены здания при его продаже или аренде к классу энергоэффективности здания.

Список литературы

1. Ильичев В.А., Емельянов С.Г., Колчунов, В.И., Бакаева Н.В. Социальные ожидания, жилищные программы и качество жизни на урбанизированных территориях // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 2. С. 3-7.

2. Ильичев В.А., Каримов А.М., Колчунов В.И., Алексаши-на В.В., Бакаева Н.В. Предложения к проекту доктрины градоустройства и расселения (стратегического планирования городов - city planning) // Жилищное строительство. 2012. № 1. С. 2-10.

3. Сергейчук О.В. Оптимизация формы энергосберегающего здания // MOTROL (Lublin, Poland). 2008. № 10А. С. 121-130.

4. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23.

5. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М.: АСВ, 2008. 144 с.

6. Береговой А.М., Прошин А.П., Береговой В.А. Энергосбережение в архитектурно-строительном проектировании // Жилищное строительство. 2002. № 5. С. 4-6.

7. Дворецкий А.Т. Влияние солнечной радиации на продолжительность отопительного периода и периода охлаждения зданий в Крыму // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2014. № 3 (7). С. 74-80.

8. Дворецкий А.Т., Клевец К.Н. Анализ влияния разных типов устройств остекленной веранды на тепловой баланс энергоэффективного дома // Строительство и реконструкция. 2014. № 5 (55). С. 54-59.

9. Дворецкий А.Т., Дворецкий Д.А. Солнечная энергия оранжереи в тепловом балансе малоэтажного здания // Строительство и техногенная безопасность. 2012. № 41. С. 14-19.

References

1. Ilyichev V.A., Kolchunov V.l., Emelyanov S.G., Bakaeva N.V. Social Expectations, Housing Programs and Quality of Life

on Urbanized Areas. Promyschlennoe I Grazhdanskoe Stroitel'stvo. 2014. No. 2, pp. 3-7. (in Russian).

2. Ilyichev V.A., Karimov A.M., Kolchunov V.I., Aleksashina V.V., Bakaeva N.V., Kobeleva S.A. Proposals to the Draft Doctrine of Urban Development and Resettlement (Strategic City Planning). Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 1, pp. 2-10. (In Russian).

3. Sergeychuk O.V. Optimization of the Form of Energy Conservation Buildings. Motornizacja i energetyka rolnictwa. Lublin, 2008. No. 10A, pp. 121-130. (In Russian).

4. Umnyakova N.P., Butovskiy I.N., Chebotarev A.G. Development of the Regulation Methods of Heat Shield of Energy Efficient Buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 19-23. (In Russian).

5. Feist V. Summary of designing passive houses. Moscow: ASB, 2008. 144 p.

6. Beregovoi A.M., Proshin A.P., Beregovoi V.A. Energy Saving in Architecture Design. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2002. № 5, pp. 4-6. (In Russian).

7. Dvoretsky A.T. Influence of Solar Radiation on the Duration of the Heating Period and the Period of Cooling of Buildings in Crimea. Biosfernaja Sovmestimosf. Chelovek, Region, Tehnologija. 2014. No. 3 (7), pp. 74-80. (In Russian).

8. Dvoretsky A.T., Klevets K.N. Analysis of the Impact of Different Types of Glazed Veranda on the Heat Balance of the Energy-Efficient Home. Stroitel'stvo i Reconstrukcija. 2014. No. 5 (55), pp. 54-59. (In Russian).

9. Dvoretsky A.T., Dvoretsky D.A. Solar Energy of Greenhouse in Heat Balance of Small Building. Stroitel'stvo i Tehnogennaja Bezopasnosf. Collection of scientific papers. 2012. No. 41, pp. 14-19. (In Russian).

Подписка

http://ejournal.rifsm.ru/

18

32015

02854884