CC BY
42
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ МАЛЫХ ДОМОВ БИОКЛИМАТИЧЕСКОГО ВИДА
SOME GUESTION CREATION SMALL HOUSES OF BIOCLIMATIC TYPE
Н.Г. Волкова, И.В. Бессонов, Ю.К. Попова
N. Volkova, I. Bessonov, J. Popova
НИИСФ PAACH
Рассматривается влияние климата на ограждающие конструкции, при разработке которых рекомендовано применение экологически чистых строительных материалов. Для догрева помещений предложено использование электропанелей.
Influence of a climate on non-load-bearing designs by which working out application of ecologically pure building materials is recommended is considered. For additional heating premises used of electropanels.
Города, занимая всего 2 % поверхности планеты, потребляют 75 % ее природных ресурсов. Малая плотность населения на большей части территории РФ (рис. 1) позволяет рассчитывать на то, что в будущем здесь будут преобладать биосферосовместимые города и поселения [1] со зданиями биоклиматической архитектуры [2, 3]. Назначение биоклиматических зданий в сохранении природного потенциала.
4 •
ML ^ШЬ
Л у? лЗГ ъ/J Д
Нижний Новгород
•Пермь
\ - Челябинск
W> чг^/О
if
Рис. 1. Плотность населения на территории РФ
Рис. 2. Экологический энергосберегающий жилой дом
Идеи биокпиматического дома пришли к нам из далекого прошлого, они напрямую связаны с экологией жилища. Дом должен находиться в чистой природной среде, имея непосредственное сообщение с наружным воздухом, посредством аэрации - естественной вентиляции (рис. 2). В этом случае практически исчезает потребность в принудительном воздухообмене. Воздух, проходя через самые совершенные механические системы, утрачивает свои целебные свойства [4].
Вопрос энергоснабжения всегда остается наиболее значимым. Согласно исследованиям Американского физика Конанта (1957 г.), каждую минуту планета Земля получает такое количество солнечной энергии, которое можно получить от сжигания 100 млн. т бурого угля, поэтому солнце должно стать будущим источником энергии В последние годы мировая добыча традиционного топлива: угля, нефти и газа в пересчете на условное топливо в угольном эквиваленте составляла 10 млрд. т в год. В то время как экономический потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) почти в два раза превышает эту величину. По планам ЕС в 2030 г. использование ВИЭ возрастет до 25 %, что улучшит экологическое состояние биосферы.
Большая часть территории РФ с низкой плотностью населения не имеет подключения к централизованным энергосистемам. Поставка традиционного топлива в малонаселенные пункты регионов Крайнего Севера, Дальнего Востока и др. обходится очень дорого. Эта проблема может быть решена с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и определяет три основных аспекта: региональный, экологический и инвестиционный. Характеристика НВИЭ в России, млн. т у. т./г. приведена в табл. 1 .
Таблица 1. Характеристика НВИЭ в России, млн. т у.т./г.
Технический Экологический
Вид Ресурсы потенциал потенциал
Малая гидроэнергетика 360,4 125 65
Геотермальная энергия 180* 120** 115***
Энергия биомассы 103 53 35
Энергия ветра 2,6 х 103 2 х 103 10
Солнечная энергия 2,3 х 106 2,3 х 103 12,5
Низкопотенциальная тепло- 525 115 36
та
Итого 2,3 х 106 4593 273,5
* на глубине до 3 км;
** пригодны для добычи современными средствами;
*** для первоочередного освоения термальных вод и парогидротерм с ис-
пользованием современных технологий
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_МГСУ
Для обеспечения нормального теплового и влажностного режима жилых зданий, создания в них комфортных условий необходим правильный и всесторонний учет климатических особенностей района застройки .
В отдельные часы суток рассеянная радиация, приходящая на вертикальные поверхности восточных и западных ориентаций, почти в два раза превышает соответствующую величину на горизонтальную поверхность: доля рассеянной радиации и достигает 25 % величины прямой солнечной радиации.
Максимум облучения в суточном ходе каждой поверхности прямой солнечной радиацией по времени соответствует максимуму облучения рассеянной радиацией, что особенно важно при оценке основной расчетной величины — максимальной за час суммарной солнечной радиации.
Наибольшие суммы теплоты от прямой радиации за сутки летом поступают на вертикальные поверхности юго-восточной и юго-западной ориентации. В северных широтах РФ эта величина достигает 4300 Вт/(м2-сут); в южных широтах количество теплоты, поступающего на стены юго-восточной и юго-западной ориентации, почти в два раза меньше указанной величины. Особенно значительно возрастает с широтой количество прямой радиации, поступающей на стены южной ориентации, — от 1100 на юге до 3800 Вт/(м2-сут) на севере страны. Летом на всех широтах наибольшее количество тепла от рассеянной радиации при безоблачном небе поступает за сутки на стены восточной и западной ориентации— 1300-1400 Вт/(м2 сут) соответственно на 38° и 64° широты. В широтном распределении величина рассеянной радиации, приходящей на вертикальные поверхности, отличается значительно большим постоянством, чем прямая радиация: даже величины радиации, поступающей на южную поверхность, изменяются от 1100 на 38° до 1400 Вт/(м2-сут) на 64° широты.
Зимой, в связи с низким положением Солнца, особенно велика роль рассеянной радиации, поступающей на вертикальные поверхности ограждений. В это время поверхность южной ориентации получает в течение всего времени суток в два раза больше теплоты от рассеянной радиации, чем горизонтальная поверхность. В холодный период года наибольшее количество теплоты от прямой радиации поступает на стены зданий южной ориентации. При этом с севера на юг суточные суммы теплоты от прямой радиации на южную поверхность возрастают почти в три раза — от 1900 на 64° широты до 5700 Вт/(м2-сут) на 38° широты. Последняя величина в 4,5 раза превышает соответствующее значение в летнее время года, равное 1000 Вт/(м2-сут) на 38° широты. Это открывает большие возможности по использованию солнечной энергии для отопления зданий и подтверждает необходимость её учета при оценке теплопотерь зданий в ряде районов страны. Величина рассеянной радиации, поступающей на вертикальные поверхности при безоблачном небе, подвержена значительным колебаниям в течение суток и в годовом цикле в зависимости от высоты Солнца и ориентации поверхности.
При теплотехнических расчетах необходимо учитывать температурно-ветровые особенности отдельных районов территории РФ, совместное действие на вертикальные поверхности ограждений различной ориентации температуры воздуха, скорости и направления ветра. Оценка температурно-ветровых особенностей территории РФ, позволяет определить наиболее неблагоприятную в отношении совместного действия преобладающих и холодных ветров сторону ограждения
7/2011
[5]. На рис. 3 представлена диаграмма повторяемости интервалов скорости ветра и диапазона температуры от 8 до 12 °С холодного периода ряда городов.
14-15,
12-13
10-11
■Санкт-Петербург
- Курск
Москва
Ростов-на-Дону
Рис. 3. Повторяемость интервалов скорости ветра и диапазона температуры от 8
до 12 °С холодного периода, %: на окружности указаны значения скорости ветра в определенных пределах, м/с;
по радиусу приведены значения повторяемости интервалов скорости ветра, %
Низкая температура воздуха устойчиво совпадают с господствующими ветрами на северном побережье РФ, Приморском крае, Чукотке, на Камчатке, в Магаданской области, некоторых районах Алтайского края.
В отдельных районах страны: на северном побережье и в Мурманске к ним относятся ограждения южной ориентации — здесь господствующий зимой южный ветер оказывается в среднем на 8 - 10 °С холоднее, чем северный; в Приморском крае наиболее неблагоприятными являются стороны северной ориентации, во внутренних районах Камчатки—юго-западная сторона, в Прибалтике— восточная и т. д. [6].
Значительное влияние на увлажнение вертикальных поверхностей ограждений наветренной ориентации оказывают осадки (косые дожди), что позволяет обоснованно подходить к выбору типа ограждающих конструкций и определению возможности применения тех или иных строительных материалов в каждом районе страны.
Изменение наружных условий отражается на тепловом состоянии помещений, это приводит к необходимости дополнительных требований к ограждающим конструкциям, и, в частности, теплоустойчивости. Температура наружного воздуха, как в зимний, так и летний период года подвержена значительным колебаниям. На территориях с неустойчивой зимой, она меняется в течение нескольких суток от -30 до 5 °С. Суточные колебания в летний период могут находиться в пределах от 15 °С (в ночное время) до 45 °С, что приводит к тепловому дискомфорту помещений. Требования к повышению теплоустойчивости ограждающих конструкций возрастают при потеплении климата и жарком лете. В ночное время желательно осуществлять проветривание крыш зданий, в том случае, если они обладают низкой теплоустойчивостью.
Теплоустойчивость ограждающих конструкций зависит от теплотехнических свойств материалов и конструктивных решений [7]. В табл. 2 приведены материалы, которые могут быть использованы при строительстве малоэтажных зданий. Для повышения теплоустойчивости зданий желательно применять материалы с высоким коэффициентом теплоусвоения. В СП 23-101-2004. Проектирование теплозащиты зданий. Приложение Д приведены теплотехнические характеристики материалов. Данные по пеногипсу представлены по результатам исследований.
7/2011 ВЕСТНИК _^/20|Т_МГСУ
В настоящее время наметилась тенденция широкого применения полимерных материалов в малоэтажном домостроении. Одним из них является пенополистирол или одна из его модификаций НЕОПОР, обладающий хорошими теплозащитными свойствами, но низким коэффициентом теплоусвоения. Этот материал обладает высокой степенью возгораемости с выделением токсичных веществ [8].
Конструкции с его применением обладают низкой теплоустойчивостью. В этом случае возрастает роль инженерных систем обеспечения микроклимата зданий, приводя к росту энергопотребления, что в большей степени проявляется в летний период при работе систем кондиционирования воздуха, которые в три раза больше потребляют электрической энергии, чем системы отопления. В домах биоклиматического типа желательно использование экологических чистых материалов в зимний период. Наибольший теплотехнический эффект достигается при расположении утеплителя или воздушных прослоек между двумя слоями из тяжелых конструктивных материалов с высоким коэффициентом теплоусвоения материалов.
Отечественные запасы натурального сырья, такого как глина и гипс позволяют создавать материалы с хорошей теплоустойчивостью. Залежи глины располагаются в большом количестве на территории РФ и используются для изготовления керамзито-бетона, который обладает хорошими как теплозащитными, так и конструктивными свойствами. Гипс также является хорошим экологически чистым строительным материалом, однако для придания ограждающим конструкциям требуемых теплотехнических свойств необходимы дополнительные конструктивные решения [9].
Монолитное строительство коттеджей из модифицированного пеногипсобетона, можно назвать наиболее перспективным из существующих технологий возведения зданий, обеспечивающим практически «бесшовную» конструкцию. Благодаря этому повышаются показатели тепло- и звуконепроницаемости, увеличивает долговечность конструкции.
В большинстве случаев монолитные дома строятся по принципу: несущие конструкции - колонны, стены, балки, перекрытия - это литые бетонные конструкции, а ограждающие стены и перегородки, чтобы улучшить экологические характеристики по сути бетонной коробки выполняются из кирпича, пенобетонных или гипсовых блоков.
Появление на строительном рынке модифицированных добавок для гипсовых смесей повлекло за собой появления и нового материала - пеногипсобетона с плотностью от 300 до 1200 кг/м3. Технология по производству пенобетона стала уже практически классической. Самое большое распространение получила его производство в традиционном составе - портландцемент, песок, пенообразователь, вода. Гипс имеет массу достоинств, но короткие сроки схватывания и низкая водостойкость существенно ограничивали рамки применения этого материала. Серьезная работа по решению «гипсовых проблем» проводилась во ВНИИСТРОМ, МИСИ-МГСУ, НИИСФ инжиниринговых центрах КНАУФ и РИГИПС. В 60-80-е годы прошлого века были созданы ГЦПВ (гипсоцементно-пуццолановое вяжущее) и семейство полимергипсовых материалов.
Материалы на основе гипса безопасны для здоровья человека, обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, повышенной огнестойкостью и сравнительно невысоким удельным весом. При этом способность гипса отдавать или поглощать влагу (в зависимости от влажности воздуха) обеспечивает регулирование микроклимата, что позволяет поддерживать комфортные условия проживания и делает гипсосодержащие материалы предпочтительными при внутренней отделке помещений. Перечень строительной продукции на основе гипсовых вяжущих представлен в табл. 3.
Таблица 2. Теплотехнические показатели строительных материалов и конструкций
Материал Характеристики материалов в сухом состониинии Расчетные коэффициенты (при условиях эксплуатации)
плотность Р. кг/м удельная теплоемкость Со, кДж/ (кг-°С) теплопроводность, X Вт/ (М'°С) теплопроводности X , Вт/(м-°С) теплоусвоения (при периоде 24 ч) я, Вт/(м2-0С) паро-про-сти Ц , мг/(м-ч-Па)
А Б А Б А, Б
Пенополистирол 15 1,34 0,039 0,040 0,044 0,25 0,29 0,035
Плиты древесноволокнистые 1000 2,3 0,15 0,23 0,29 6,75 7,7 0,12
Арболит на портландцементе 800 2,3 0,16 0,24 0,3 6,17 7,16 0,11
Плиты из гипса 1200 0,84 0,35 0,41 0,47 6,01 6,7 0,098
Пеногипс * 300 0,84 0,10 0,12 0,13 1,56 1,66 0,50
Керамзитобетон 1000 0,84 0,27 0,33 0,41 5,03 6,13 0,14
Керамическая кладка из пустотного кирпича 1200 0,88 0,35 0,47 0,52 6,16 6,62 0,17
Таблица 3. Продукция на основе гипсовых вяжущих
Гипсовые перегородочные плиты Камни, блоки, кирпич
Гипсокартонные листы Вентблоки и др. изделия инженерных коммуникаций
Гипсоволокнистые листы Сантехкабины
Облицовочные изделия Плиты для сантехкабин
При строительстве биоклиматических зданий рекомендуется применение комбинированных систем отопления. Особое значение приобретает выработка комплексного подхода к внедрению в практику строительства новых обогревающих систем. При выборе конструктивных решений можно значительно сократить материалоемкость дополнительно устанавливаемых устройств, повысить энергоэффективность зданий при удобстве их эксплуатации.
Для рационального обогрева помещений желательно использование аккумуляционной-фоновой и малоинерционной систем. Теплоаккумуляционные системы могут быть представлены массивными отопительными приборами и фрагментами, совмещенными с конструкциями здания, но их эффективная работа в режиме автоматического регулирования затруднена.
При использовании пиковых доводчиков [10] предпочтение следует отдавать лучистому способу обогрева помещений, при котором в помещение передается излучением до 70 % теплоты. Излучение имеет природу двойственного характера, так как обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и дискретности, типичной для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность их нахождения в том или ином месте пространства в волнах. Соответственно этому излучение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Тепловое излучение при достаточно низких температурах, характерных для поверхностей в помещении, захватывает узкий участок длин волн и может рассматриваться как монохроматическое, т.е. состоящее из волн одинаковой длины. В строительной практике поверхности в помещении относят к серым телам.
7/)П11 ВЕСТНИК _^/2OTT_МГСУ
Преимуществом лучистого обогрева является более комфортный тепловой режим в помещении, высокая радиационная и более низкая температура воздуха [11]. Это сохраняет комфортную влажность и малую подвижность воздуха, уменьшает количество пыли, так как при малых скоростях перенос пыли практически не происходит, что благотворно сказывается на дыхательных функциях организма.
При разработке опытных образцов электронагревателей на гетинаксе основные трудности возникали при применении электропроводящего слоя [12]. В настоящее время разработаны органические полимеры, проводящие ток. Этот класс сохраняет свойства металлов и полимеров, большим преимуществом таких материалов является технологичность. Эти полимеры сочетают механические свойства пластмасс, такие как гибкость, прочность, ковкость и эластичность и др. с высокой электропроводностью. Свойства электрополимеров могут быть модифицированы с использованием специальных методов органического синтеза.
С 1977 г. ученые Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава публиковали труды о структуре и механизмах проводимости в органических проводниках и в 2000 г. были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие и развитие проводящих полимеров. Использование этого открытия для разработки малоинерционных нагревательных приборов панельного типа могло бы способствовать массовому внедрению комбинированных отопительных систем. Применение мониторинга для наблюдений за тепловым режимом домов позволило бы подобрать наиболее экономичный режим эксплуатации зданий.
Для создания зданий малого объема необходим учет наружных климатических воздействий, использование нетрадиционных источников энергии и экологически чистых строительных материалов, обеспечивающих теплоустойчивость ограждающих конструкций, применение прогрессивных отопительных систем. Внутренний комфорт помещений зависит от внедрения новых технических решений, разрабатываемых на уровне экспериментального строительства. Биоклиматические здания малого объема могут быть реализованы при строительстве экопоселений и городов спутников при мегаполисах.
Литература
1. Материалы межкординационного совещания по междисциплинарной тематике РААСН «Биосферосовместимые города и поселения» М. - 2011.
2. Биоклиматическая архитектура. 1989 by De Luca Edizioni d'Arte S.p.A - Roma, Italia ISBN 88-7813-221-7.
3. Волкова Н.Г. Биоклиматические здания малого объема и наружные воздействия в зимний период М. ACADEMIA. Архитектура и строительство, № 4, 2009.
4. Волкова Н.Г. Попова Ю.К. Триединая задача экологии применительно к проблемам строительства. М. ACADEMIA. Архитектура и строительство, № 5, 2009.
5. Строительная климатология. Справочное пособие к СНиП. М., 2006.
6. АИ.Круглова. Климат и ограждающие конструкции. М. - 1970.
7. В.М. Ильинский. Строительная теплофизика..(огра^цающие конструкции и микроклимат зда-ний).М. - 1974.
8. Попова Ю.К. К вопросу об экологии жилища. Сборник докладов НИИСФ. М. -1999.
9. Ялунина О.В., Бессонов И.В. Регуляция микроклимата помещений материалами на основе гипса. Сб. докладов международной практической конференции « Гипс, его исследование и применение». Красково, 2005.
10. Волкова Н.Г. Время использования лучистых доводчиков М. ACADEMIA. Архитектура и стр-во, № 3, 2010.
11. Волкова Н.Г. Исследование на модели теплового режима отапливаемого помещения с дополнительным размещением электропанелей в верхней зоне Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов. Девятая Международная научно- практическая конференция 30 мая-6 июня 2010 г. Москва, София, Кавала.
12. Волкова Н.Г. Опыт использования дополнительного обогрева для обеспечения теплового комфорта рабочих мест локомотивного депо. Железнодорожный транспорт. Сер. "Строительство. Проектирование":-Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований железнодорожного транспорта (ЭИ/ ЦНИИТЭИ) МПС.-2001.- Выпуск 2 - 3.
Literature
1. Materials межкординационного meetings on interdisciplinary subjects PAACH «Bnospherecompatible cities and settlements» M. of 2011.
2. 1989 by De Luca Edizioni d'Arte S.p. A - Roma, Italia ISBN 88-7813-221-7.
3. Волкова N.G.Bioclimatic of a building of small volume and exterior impacts during winter period M ACADEMIA. Architecture and building, № 4, 2009.
4. Волкова N.G.Popova JU.K.Triune an ecology problem with reference to building problems. M ACADEMIA. Architecture and building, № 5, 2009.
5. Building climatology. The handbook to СНиП. M, 2006.
6. A.I.Kruglova. A climate and non-load-bearing designs. M. of 1970.
7. V.M.Ilinsky. Building thermophysics. (Non-load-bearing designs and a microclimate of build-ings).M. 1974.
8. Попова Ю.К. To a question on home unit ecology. The collection of reports НИИСФ. M.1999.
9. Jalunina O. V, Bessonov I.V.Regulation of a microclimate of premises materials on the basis of plaster. Сб. Reports of the international practical conference «Plaster, its research and application». Kraskovo, 2005.
10. Волкова N.G.Time of use radiant доводчиков M ACADEMIA. Architecture and building, № 3, 2010.
11. Волкова N.G.Research on a model of a thermic mode of a heated premise with additional placing of electropanels in the top working area Actual problems of development of housing and communal services of cities and settlements. Ninth International scientifically - practical conference on May, 30th June, 2010 Moscow, Sofia, Кавала.
12. Волкова N.G.Experience of use of additional heating for maintenance of thermic comfort of workplaces of locomotive depot. A railway transportation. Sulfurs. "Building. Designing":-Центральный scientific research institute of the information and technical and economic researches of a railway transportation (EI/ЦНИИТЭИ) МПС.-2001.
Ключевые слова: биоклиматический дом, тепловой режим, нетрадиционные источники энергии, теплоустойчивость, пеногипсобетон, электропанели
Keywords: the bioclimatic house, a thermic mode, nonconventional power supplies, heatstability, foamplasterconcrete, electropanels
e-mail :Волкова Надежда Георгиевна: vngeo08@mail.ru Бессонов Игорь Вячеславович: bessonoviv@mail.ru Попова Юлия Константиновна: vngeo08@mail.ru.
