CC BY
105Раздел 5. Проблемы организации строительства
УДК 69.036+697
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЗДАНИЯ -
КУПОЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ
Литвинова Э.В., Маслак А.С., Попов А.Г., Гармаш М.А.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО КФУ им. В.И. Вернадского 295943, г. Симферополь, ул. Киевская, 181; e-mail: Ellalit@mail.ru, Acm2@mail.ru, Agp-51@mail.ru,
Magvap@mail. ru
Аннотация. В статье рассмотрены оптимальные архитектурные и инженерные решения при проектировании энергоэффективного здания, основные пути экономии энергии в сооружении. Рассмотрены конструктивные решения энергоэффективных зданий, значимых для этапов разобщенности, симбиоза и целостности, а также построенных за последние годы в России. Показано, что на сегодняшний день одними из самых экономичных домов считаются именно сферические дома. Рассмотрены преимущества купольных домов. Куполообразная форма дома идеальна с точки зрения биоэнергетики, купольная конструкция дома напоминает фракционную линзу с фокусом внутри сферы, что позволяет собирать и аккумулировать энергию внутри дома, улучшая и структурируя энергетику человека. Как и любое каркасное сооружение, купол - очень легкая конструкция, не требующая мощного дорогостоящего фундамента. Материалы, используемые при строительстве (за исключением термооболочки), являются экологически чистыми. Купольное строение способно вынести любые природные условия и пригодно для любого ландшафта местности.
Ключевые слова: экологичность и энергоэффективность, энергосбережение и ресурсосбережение, сферические и купольные строения.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из современных тенденций жилищного строительства является разработка и конструирование зданий, в которых комфорт планировочных решений сочетался бы с экологичностью и энергоэффективностью. На рубеже XX-XXI вв. мировая строительная практика «концептуально дифференцировала здания по степени энергопотребления, начиная от энергоэффективных зданий, зданий с низким и зданий с ультранизким и даже «нулевым» энергопотреблением до зданий высоких технологий, «умных» (интеллектуальных) зданий, зданий биоархитектуры» [1, с. 7; 3].
За рубежом энергоэффективные и пассивные здания строятся, начиная с 80-х г.г. XX в. В России, несмотря на большие расходы энергии на теплоснабжение (около 30-40 % всех энергоресурсов), застройщики предлагают потребителям в качестве энергоэффективных более качественные и утепленные дома с расходами энергии и воды на 10-30 % ниже по сравнению со стандартными домами. В последние двадцать лет в градостроительной сфере понятие «экология человека» проявляется в таких научных направлениях, как здания энергоэффективные, здоровые, интеллектуальные, биоэнергетические и т.д. [1, с. 9; 2].
Необходимо изучать здание как целое в его взаимодействии с потребителем и окружающей средой, чтобы понять принципы гармонии человека, строения и природы - Sustainable Buildings [1, с.9; 4; 6]. «Исходным пунктом этого является некоторое интуитивное представление, интуитивная убежденность в существовании законов, единых для всей живой и неживой, «разумной» и «неразумной» материи, одухотворенности, осмысленности природы - представление, столь характерное для русской интеллектуальной традиции» (Н.Н. Моисеев) [2].
При проектировании энергоэффективных зданий необходимо решать две задачи [4]:
1) задача архитектора - эффективное использование положительного и максимальная нейтрализация отрицательного воздействие наружного климата на тепловой баланс здания;
2) задача инженера - организация такой системы климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечит требуемые параметры микроклимата в помещениях.
Архитектурные решения [1, с. 127; 2 - 4]:
1. Выбор местоположения здания с учетом климатических особенностей, рельефа местности и существующей застройки в районе предполагаемого строительства; 2. Общая архитектурно-планировочная концепция и выбор объемно-планировочных решений; 3. Определение формы и ориентации; 4. Выбор остекления и солнцезащиты, схемы организации
освещения; 5. Выбор конструкции и материалов наружной облицовки.
Инженерные решения [1, с. 127; 2 - 4]: 1. Выбор источников теплоснабжения, использование возобновляемых источников энергии; 2. Выбор системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха; 3. Выбор конструкции и материалов наружных ограждений; 4. Выбор системы автоматического (автоматизированного) управления инженерным оборудованием здания.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Обоснование оптимальных решений для определения формы энергоэффективного здания, т.к. теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно оптимизировать и за счет выбора формы здания.
Задачи исследования:
- рассмотреть особенности этапов процесса развития энергоэффективных зданий в России и зарубежных странах;
- проанализировать влияние ориентации и формы здания на его теплопотребление;
- рассмотреть преимущества сферических зданий с позиций энергоэффективности.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ
Строительство энергоэффективных зданий за рубежом началось в 1974 году. Но проект первого высотного энергоэффективного здания был разработан в 1972 году архитекторами Э. и Н. Исаак, в американском Манчестере (рис. 1) [1, с. 7; 4; 6]. Энергозатраты на вентиляцию здания компенсировались уменьшением объема поступления наружного воздуха за счет грамотной планировки и оптимизации воздухораспределения, а также заменой внешнего воздуха очищенным рециркуляционным. Рекуператоры тепла позволяли уменьшить на 60-75% затраты энергии на охлаждение и нагрев приточного воздуха. Система управления искусственным освещением, регулирующая интенсивность света в зависимости от изменения уровня естественного освещения, давала возможность экономить на электроэнергии.
В 1979 году в г. Отаниеми (Финляндия) под руководством архитектора Х. Каутонена было спроектировано и построено энергоэффективное здание EKONO-house (рис. 2) [5, 6]. Энергосберегающие инновационные решения позволили минимизировать площади ограждающих конструкций и снизить потери тепла через них. Теплоизоляция ограждающих высокой теплоемкости конструкций имела значительно улучшенные характеристики, за счет чего повышена теплоустойчивость здания. Вентилируемые окна имели одинарное стекло во внутреннем переплете и трехслойный стеклопакет в наружном переплете. Через узкое входное отверстие в нижней части внутреннего переплета воздух из помещения попадал в межстекольное пространство, где забирал на себя значительную часть тепловой энергии солнечной радиации. Вентилируемые окна работали как солнечные коллекторы и давали возможность использовать для нагрева воздуха до 55 % солнечного тепла. Нагрузку на отопительную систему снижала система аккумулирования тепла солнечной радиации в основании здания. EKONO-house имел минимальные утечки воздуха за счет герметизации конструкций и автоматическую систему климатизации. Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания было на 50 % ниже той же характеристики административных зданий Финляндии.
Рис. 1. Первое энергоэффективное высотное здание Рис. 2. EKONO-house (1979 г., Финляндия)
(1972 г., США)
В 1997 году во Франкфурте-на-Майне (ФРГ) было сдано в эксплуатацию 259-метровое здание Commerzbank, высота с антенной 300 метров (рис. 3) [4, 6]. Сооружение было спроектировано британским архитектором Н. Фостером. Энергосбережение в здании достигалось за счет активного использования естественных вентиляции и освещения. Каналом естественной вентиляции для смежных офисных помещений здания стал сквозной атриум. Все этажи имели по три крыла: в двух располагались офисные помещения, а в третьем - зимний сад на четыре этажа исполнял роль внутренних систем обновления воздуха. Двуслойные светопрозрачные ограждения офисов обеспечивали уменьшение затрат энергии на климатизацию всего строения и правильная ориентация здания по отношению к основному направлению ветра давала естественную вентиляцию. Авторы проекта добились максимальной гармонизации функций строения - с одной стороны удовлетворялась потребность пребывающих в нем людей, а с другой - обеспечивалась высокая эффективность использования энергии. Проект был выполнен на основании предварительных аэродинамических исследований и с привлечением программ компьютерного моделирования.
Новое здание мэрии Лондона было возведено на берегу Темзы в Саутварке, недалеко от Тауэрского моста. Архитектор Н. Фостер определил концепцию здания как «model of democracy, accessibility and sustainability» - пример открытости, доступности и т.н. «жизнеудерживающего здания» [6]. MAIN TOWER - это сдвоенная башня: первая - 170-метровая квадратная, а вторая -200-метровая круглая (рис. 4). Энергоэффективность здания обеспечивалась применением автономных источников энергосбережения, использованием тепла земли, основание здания «работало» как накопитель холода и тепла. Светопрозрачные ограждающие конструкции позволяли эффективно защищать помещения от внешнего теплового и солнечного воздействия, а автоматизация солнцезащитных устройств снижала нагрузки на систему климат-контроля летом и уменьшала потери тепловой энергии зимой. Двойные стеклопакеты заполнены криптоном, а специальные стекла толщиной 10 мм, покрытые с двух сторон металл оксидной пленкой, эффективно защищали помещения от солнца. Повторяя кривизну башни, наружное стекло стеклопакета выгнуто, а внутреннее - «классическое» - плоское. Автоматическая регулировка уровня искусственного освещения вместе с применением энергосберегающей осветительной аппаратуры снижали энергозатраты на 20-25 %. Для уменьшения энергоемкости отопления и охлаждения и повышения уровня комфорта сотрудников офисов, в проект здания были заложены системы панельно-лучистого отопления и охлаждаемые потолки. Активные системы жизнеобеспечения здания - автономные источниками электрической и тепловой энергии работали на природном газе. Стабильность жизнеобеспеспечения здания гарантировалась подключением к городской системе тепло и энергоснабжения.
При возведении были применены следующие энергосберегающие решения [7]: - форма яйца позволяла минимизировать теплопоступления в теплое время года и потери тепла в холодный период;
Рис. 3. Commerzbank (1997 г., Германия)
Рис. 4. MAIN TOWER (2000 г., Германия)
- снижение поступления тепла обеспечивалось и за счет элементов наружных ограждающих конструкций, имеющих солнцезащитные свойства;
- сопротивление теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций здания -5,0 м2^°С/Вт, светопрозрачных элементов наружных ограждающих конструкций - 0,83 м2^°С/Вт, что позволяло максимально использовать естественное освещение;
- удерживать тепло позволяли и высококачественные теплоизоляционные материалы;
- естественная вентиляция осуществлялась через двойные вентилируемые фасады.
Для водяного отопления использовались насосы с возможностью автоматической регулировки скорости вращения рабочих элементов, что позволяло снизить затраты энергии и получить оптимальную температуру воздуха в помещениях. Тепло удаляемого воздуха использовалось для подогрева приточного воздуха. Холодоснабжение обеспечивалось низкотемпературными грунтовыми водами и охлаждающими потолками. Система управления и автоматизации позволяет круглогодично поддерживать оптимальные параметры микроклимата и обеспечивать значительное энергосбережение. В итоге экономия в лондонской мэрии на отоплении и вентиляции составляет 75 % по сравнению со зданиями аналогичных размеров.
Самым энергоэффективным сверхвысотным зданием (71 этаж) многие специалисты называют 309-метровую башню Pearl River Tower, построенную в 2010 году в Гуанчжоу, - проект инженеров Skidmore, Owings & Merrill (США, рис. 5) [6]. Для выработки электроэнергии в здании используются солнечные батареи нового поколения, а для ее сохранения предусмотрены особые коллекторы. На технических этажах смонтированы четыре ветрогенератора диаметром 6 м, как дополнительный источник энергии. Эффективность ветроустановок высокая, так как используется эффект сквозняка в отверстиях между противоположными сторонами фасада. Это дает увеличение скорости воздушного потока в 2 раза. Необычная конструкция стен позволяет максимально эффективно использовать энергию воздушных масс. «Добывают» энергию для здания и фотоэлектрические солнечные панели, смонтированные на западном и восточном фасадах, в верхней части здания. Суммарная площадь солнечных батарей более 1 500 м2 на каждый фасад. Суммарная мощность фотоэлектрических панелей около 300 000 кВт. Оптимальное охлаждение обеспечивают сквозные каналы с хладоагентом, а также окна в южной части сооружения с двойным остеклением и межстекольной вентиляцией. Положение ламелей оконных жалюзи автоматически меняется с перемещением Солнца по небосклону. Прогрев здания солнечными лучами уменьшают особые конструкционные материалы. Так как нет возможности реализовать электричество в сеть общего пользования, поэтому архитекторам не удалось создать «нулевое» углеродно-нейтральное здание.
Офисно-гостиничный комплекс класса А-Премиум - БЦ «Вивальди Плаза» (г. Москва, Россия, проект Сергея Киселева) построен в 2012 году и состоит из четырех 11-этажных высокотехнологичных зданий с организованной комфортной и современной рабочей средой, расположен в одной из главных деловых зон столицы, на пересечении основных городских магистралей: Садового кольца и набережных Москвы-реки (рис. 6) [7]. Энергоэффективность здания достигается следующими архитектурными решениями:
- окна высотой от пола до потолка обеспечивают естественную освещенность;
- узкие поэтажные планировки оптимально организуют пространство;
- размещение основных рабочих зон вдоль окон;
- здания комплекса удачно сориентированы по сторонам света и относительно друг друга, что позволяет оптимально использовать естественное освещение и не повышать затраты на кондиционирование воздуха.
Все инженерные системы централизованы - система вентиляции с механическим побуждением, центральная вытяжная установка и чиллеры. Размещение отдельных вентиляционных установок на каждом этаже оптимизирует энергопотребление базового здания, что позволяет снижать длину воздуховодов в системе и способствует уменьшению сопротивления воздуха.
Рис. 5. Pearl River Tower (2010 г., Китай)
Рис. 6. ЦБ «Вивальди Плаза» (2012 г., Россия)
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
По мнению специалистов для получения энергоэффективного здания требуется оптимизация трех подсистем [1, с. 125, 6, 8, 11]: архитектурно-строительные решения; инженерное обеспечение дома; использование наиболее эффективных для данных условий источников энергии.
Для проектирования энергоэффективного здания необходим следующий комплекс мер [8]: дополнительные возможности поступления энергии в дом; уменьшение потери тепла зданием
От формы здания тоже зависит его способность сохранять тепло (рис. 7). Потери тепла пропорциональны площади поверхности, через которую они происходят. Поэтому чем меньше суммарная площадь поверхности стен, крыши и пола первого этажа, тем меньше тепла будет уходить из дома.
Опюснпглын-о тепполотоом. *К г со
Относительное
изменение
00о
1:1 VJ2 1:4 1:6 1:8 1:10 Огысах*ы1*с оысогм к /¡плно дд¿»ьге
С П EZ3I
Зависимость теллопотерь здания от его формы и отношения площади поверхности к объему
ле>1ре6лемия
зависимости от
формы и дробности при
одинаковом
а) о -20 -ю
Топпопоторн.
Теллопоступлемия и теплогютери здание при разной ориентации и форме плана
Рис. 7. Влияние ориентации и формы здания на его теплопотребление [5]
Рис. 8. Сферический дом Рис. 9. Дом в форме куба
Одним из образцов строительства экономичного жилья и энергоэффективного здания, признан дом-сфера (купольные дома). Зарубежный опыт возведения купольных домов положил начало практичным, красивым, функциональным и несложным в плане строительства зданиям и сооружениям (рис. 10) [16].
Рис. 10. Купольные дома
Преимущества купольных домов [9 - 11]:
1) сфера - наилучшая форма для дома при ветровых (порывы ветра до 250 км/час) и снеговых нагрузках (до 700 кг на м2), так как эти потоки плавно скользят по всей площади купола;
2) наибольший объём при наименьшей площади поверхности обеспечивает уникальную термальную характеристику сферического дома;
3) минимальны материалоёмкость, трудоёмкость и время создания - конструкция купола имеет на 40-60 % меньше деталей, что дает возможность экономии энергии до 15 %;
4) в бесшовной сфере рассеивается меньше тепла и уменьшаются расходы на кондиционирование и отопление помещения, минимизируются теплопотери;
5) из-за обтекаемой формы купола и отсутствия фасадных перегородок ветровые потоки свободно скользят по поверхности и обдувают дом с меньшим сопротивлением, так как происходит природная кольцеобразная циркуляция воздушных потоков и беспрепятственный воздухообмен; температура по всему объему купола одинакова (рис. 10);
6) герметически закрывающееся вентиляционное отверстие вверху сферы;
7) свет рассеивается, в таком доме будет всегда светлее, чем снаружи даже при естественном освещении;
8) дом-сфера дёшев в эксплуатации;
9) ввиду лёгкости и прочности сфер целесообразно строительство купольных домов в сейсмически опасных районах и в труднодоступных местах: горных базах отдыха, геолого-разведывательных базах, в жилых поселках;
10) объём дома-сферы «вытягивается» цельным с глубины промерзания (для различных грунтов - разные технологии);
11) цельновозведённая сфера взрывоустойчива;
12) жилую площадь дома можно увеличить за счет строительства мансарды в подкупольном пространстве дома, или пристроив к основной купольной конструкции веранду, тамбуры, гараж и крытую стоянку для автомобилей. Рис. 10. Купольный дом в разрезе
Куполообразная форма дома идеальна с точки зрения бионергетики - это фракционная линза с фокусом внутри сферы, что позволяет собирать и аккумулировать энергию внутри дома, улучшая и структурируя энергетику человека [4, 11].
Россия на уровне архитектурных проектов является одной из самых продвинутых стран. Примеры [12, 13]:
- купольные дома, продемонстрированные на выставке «Деревянное строительство» (Ленэкспо, 4-6 октября 2011 г., рис. 11) [12, 13], которые можно строить повсюду;
- проект дома-ковчега (архитектурная мастерская Александра Ремизова, рис. 12), способного полностью обеспечить себя энергией и утилизировать все отходы, - это проекты от относительно скромного жилья на одну или две семьи до грандиозных автономных городов-ковчегов.
Рис. 11. Купольный дом (2011 г.) Рис. 12. Дом-ковчег (2012 г.)
ВЫВОДЫ
Главные преимущества купольных домов - энергосберегаемость. Таким образом, обосновано, что на сегодняшний день одними из самых экономичных домов считаются именно сферические дома. Купол как архитектурная форма отличается особой прочностью, позволяет минимизировать расходы на строительство, и является эффективным с точки зрения энергосбережения. В купольном доме экономия на энергосбережении до 50 %.
Кроме того, полусферические конструкции позволяют наиболее эффективно использовать внутреннюю площадь помещения. Традиционные прямоугольные дома, по сравнению с полусферическими, теряют от 40 % до 60 % внутреннего пространства.
Как и любое каркасное сооружение, купол - очень легкая конструкция, не требующая мощного дорогостоящего фундамента. Материалы, используемые при строительстве (за исключением термооболочки), являются экологически чистыми.
Купольное строение способно вынести любые природные условия и пригодно для любого ландшафта местности.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В строительной отрасли за последние несколько десятилетий можно выделить три основных последовательных этапа: от энергоэффективного строительства, через зеленое, к устойчивому строительству [14, 15].
Так как в данной статье рассмотрен первый этап - энергоэффективное строительство, поэтому естественным представляется подробное рассмотрение последующих этапов развития современного строительства - зеленого и устойчивого.
Каждый последующий эволюционный этап развития строительной отрасли содержит в себе все положительные составляющие предыдущего этапа, еще более усиливая их.
ЛИТЕРАТУРА
1. Табунщиков, Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач. [Текст]. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. -144 с.
2. Энергоэффективное здание синтез архитектуры и технологии [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http:// https://ecoteco.ru/id565/. - Загл. с экрана.
3. Выбор энергоэффективной формы здания. Конструктивные и планировочные особенности проектирования энергоэффективных зданий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://docplayer.ru/61706463-V-rossii-edinstvennym-energoeffektivnym-vysotnym-zdaniem-yavlyaetsya- 17-etazhnyy-energoeffektivnyy-zhiloy-dom-v-mikrorayone-nikulino-2-v-g.html. - Загл. с экрана.
4. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективное здание синтез архитектуры и технологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ecoteco.ru/id565/ - Загл. с экрана.
5. Daniels, Klaus. The Technology of Ecological Building / Klaus Daniels. - Birkhauser-Verlag fur Arhitektur, Basel, 1997.
6. Самые известные в мире энергоэффективные здания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.c-o-k.ru/review/samye-izvestnye-v-mire-energoeffektivnye-zdaniya. - Загл. с экрана.
7. БЦ «Вивальди Плаза» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://hitechtelecom.ru/ servernaya_stroyka.html. - Загл. с экрана.
8. Гипрокомунэнерго - энергоэффективность зданий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gken.ru/buildings. - Загл. с экрана.
9. Расчет купольных домов, конструкций [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://acidome.ru. - Загл. с экрана.
10. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективные здания / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин. [Текст]. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.
11. Маяцкая, И.А. Оптимальность конструкций с точки зрения архитектурной бионики / И.А. Маяцкая, С.Б. Языева, Б.М. Языев // Строительство и техногенная безопасность: научно-технический журнал по строительству и архитектуре. [Текст]. - 2017. - № 9(61). - С. 7-11.
12. Энергоэффективный дом [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://zagorod.spb.ru/ articles/3320-energoeffektivnyy_dom. - Загл. с экрана.
13. Сафронов, Н.С. Энергоэффективные здания в России. Массовое строительство возможно и выгодно! [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://portal-energo.ru/articles. -Загл. с экрана.
14. Цопа, Н.В. О необходимости нормативного регулирования современной энергосберегающей политики в строительном комплексе / Н.В. Цопа, В.В. Малахова, Л.С. Ковальская. [Текст]. // Строительство и техногенная безопасность: научно-технический журнал по строительству и архитектуре. - 2017. - № 6(58). - С. 91-98.
15. Свидерский, И. Эволюция строительства: от энергоэффективного, через зеленое, к экоустойчивому / И. Свидерский [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://acadomia.ru/ articles/inzhenernye-kommunikatsii/the-evolution-of-construction-rom-energy-efficient-through-he-green-sustainable/ - Загл. с экрана.
16. Купольное строительство [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://строительство-домов-в-севастополе.рф/ш!^/884/ - Загл. с экрана.
DESIGN FEATURES OF ENERGY EFFICIENT BUILDINGS - DOME STRUCTURE Litvinova E.V., Maslak A.S., Popov A.G., Garmash M.A.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea
Annotation. The article describes the best architectural and engineering solutions for the design of energy efficient buildings, the main ways of saving energy in the building. Discusses the design decisions for energy efficient buildings, significant phases of dissociation, symbiosis and integrity and built in recent years in Russia. It is shown, that today one of the most economical homes are considered spherical the house. Advantages of dome homes. The dome shape of the house is ideal from the point of view bioenergetiki, dome house design is reminiscent of the fractional lens with focus inside the sphere that allows you to collect and accumulate energy inside the house, improving and structuring the power of the person. As with any frame structure, the dome is a very light structure, do not require powerful and expensive Foundation. The materials used in the construction (with the exception of Thermoblock), are environmentally friendly. The dome structure is able to withstand any climatic conditions and are fit for any landscape.
Keywords: ecofriendlyness and energy efficiency, energy saving and resource saving, spherical and domed buildings.
