CC BY
68
строительная теплофизика и энергосбережение
Объемно-планировочные решения, экология и энергетическая эффективность зданий
В.К. Савин, И.В. Санкин, Н.В. Савина
Для обеспечения жизнедеятельности людей необходимо создать комфортные условия для проживания человека в помещениях зданий и в районе застройки. Федеральные законы П184-Ф3 «О техническом регулировании» и П261-Ф3 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» являются правовой основой для технического регулирования отношений между потребителем и производителем продукции (зданий). Цель первого закона — защита жизни и здоровья людей, а второго — «создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности».
Комфортные условия воздухообмена в помещениях жилых зданий создаются системами естественной или принудительной вентиляции. Комфортные условия в рабочей зоне помещения необходимо обеспечивать согласно нормам [1,2]. По нормам [1] оптимальная скорость движения воздуха для жилых помещений зданий должна быть 0,15 м/с, допустимая — 0,2 м/с, а для общественных — соответственно 0,2 и 0,3 м/с. Воздухообмен в помещениях жилых зданий должен обеспечиваться в размере 30 м3/ч или 3 м3/ч на 1 м2 жилой площади [2].
Президентом и Правительством РФ поставлена задача увеличения продолжительности жизни населения России, выполнение которой связано с обеспечением людей доступным жильем и улучшением условий проживания в нем. Осуществление мероприятий по радикальному увеличению объемов строительства возможно с помощью функционально-планировочного улучшения жилых зданий. Объемно-планировочные решения зданий и квартир тесным образом связаны с экологией и их энергетической эффективностью. Эти факторы необходимо рассматривать не изолированно друг от друга, а совместно. Оптимальные параметры в помещениях создают психогигиенический и физиологический комфорт. Планировка квартир должна предусматривать улучшение пропорций помещений и в случае необходимости, их перепланировку.
В соответствии с задачами, поставленными в названных выше федеральных законах, и увеличением продолжительности жизни граждан необходимо при новом строительстве и модернизации квартир предусмотреть улучшение санитарно-гиги-
енических условий проживания путем перехода от минимальных и допустимых нормативов обеспечения комфортных условий в помещениях к оптимальным параметрам.
В связи с этим следует ориентировать проектировщиков на экономию ресурсов при решении градостроительных задач с тем, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности граждан среднего класса и обеспечить жильем население с небольшими доходами.
Объемно-планировочное решение самого здания и его расположение на местности оказывают существенное влияние на суммарный расход энергии, идущей на строительство и эксплуатацию. Математические зависимости влияния формы здания на его теплопотери широко рассматривались многими исследователями. Наиболее распространенной формулой, по которой определяется наименьшая площадь наружных поверхностей в зависимости от формы здания, является отношение площади наружных поверхностей к внутреннему объему здания
к = Р /V . (1)
н' зд 4 '
Эта зависимость имеет размерность 1 /м и предполагает, что при одинаковой кубатуре здания площадь наружных поверхностей должна быть минимальной. С этой точки зрения наибольшей энергетической эффективностью обладает здание шарообразной формы, затем следует здание — куб. Здание прямоугольной формы менее эффективно. Энергоэффективность здания квадратной формы в плане с увеличением этажности повышается. Формула (1) справедлива в тех случаях, когда отсутствует естественное освещение помещений и не учитывается вентиляция воздуха.
В работе [6] выполнены исследования, которые учитывают влияние указанных факторов на энергетическую эффективность здания. Показано, что при высоте помещения 3м удовлетворяются требования норм по обеспечению помещений наружным воздухом 30 м3 /ч или 3 м3/ч на 1 м2 жилой площади. При естественной вентиляции воздухообмен осуществляется за счет притока наружного воздуха в помещение через ограждения (в основном через окна) и удаления его через вентиляционные решетки. Чтобы обеспечить в зимнее время в ра-
строительная теплофизика и энергосбережение
бочей зоне помещения движение воздуха в пределах нормативных требований, под окнами устанавливают нагревательные приборы. Расчет системы естественной вентиляции необходимо проводить таким образом, чтобы обеспечить каждое помещение здания необходимым нормируемым количеством воздуха, исключить его повышенную подвижность, застойные зоны и высокие градиенты по высоте. Для организации нормативного воздухообмена в течение года необходима регулировка приточного воздуха через окна. Наиболее эффективным и мало затратным устройством регулировки воздухообмена в помещениях являются форточки. Более дорогим и менее эффективным устройством регулировки являются вентиляционные клапана, которые в настоящее время широко внедряются в практику строительства.
Оптимизация объемно-планировочных решений выполняется из условия обеспечения помещений естественным светом [6]. В этом случае ширина корпуса здания Н рассчитывается, исходя из обеспечения нормируемого значения КЕО в расчетной точки помещения. Согласно расчетам [5,6] ширина корпуса здания находится в пределах 12—15м и имеет форму параллелепипеда. Длина здания х = х ■ L в безразмерном виде определяется из формулы
Рн 2(Н / 1)(1 + X) ,
(2)
где L — ширина корпуса; Н — высота помещения;
х = x/L — длина здания в безразмерном виде.
С точки зрения энергетической эффективности анализ формул (1) и (2) показал, что при естественном освещении помещений высотные здания квадратной формой в плане неэффективны. По сравнению с ними для каждого этажа здания прямоугольной формы при х ^ го можно получить экономию энергии 50%. Из примера расчета [5] видно, что при соединении четырех домов-башен размером 12 X 12 м в единое целое на каждом этаже высвобождается шесть наружных стен шириной 12 м и высотой 3 м. В результате суммарная площадь пола увеличивается на 432 м или на 45% и мы получаем дополнительные квадратные метры без затрат энергии как при строительстве, так и при эксплуатации здания.
Из [5,6] следует вывод о неэффективности строительства зданий в форме нагревательных приборов, т.е. не гладкостенных, а с развитой наружной поверхностью, а также зданий башенного типа квадратной формы в плане.
В зданиях в форме параллелепипеда увеличение ширины корпуса без снижения освещенности
помещений естественным светом повышает его энергоэффективность. В качестве примера можно привести проектные решения наружного вертикального ограждения, в котором при одинаковой высоте окон увеличение расстояния от пола до подоконной доски с 0,8 м до 1,2 м, дает возможность увеличить на 4 м ширину корпуса здания до 16 м. Это мероприятие повышает его энергетическую эффективность примерно на 10%.
Этажность здания также влияет на эффективность. На основании [6, 7] и др. работ можно доказать, что пятиэтажные здания, в которых отсутствуют лифты, имеют энергетическую эффективность выше, чем здания с большей или меньшей этажностью. Во-первых энергоемкость пятиэтажек на 10—15% ниже домов с лифтами [7], а дома меньшей этажности имеют теплопотери выше из-за влияния на тепловой баланс суммарных энергозатрат через пол и покрытие. Во-вторых, энергетические расходы на ремонт и содержание многоэтажных домов с лифтами выше на 21—22%. В США эта величина равна 30%. В-третьих, увеличивается полезная площадь дома, и в-четвертых, повышается экология из-за отсутствия шума, создаваемого при эксплуатации лифта.
Связь района застройки с энергетической эффективностью зданий и экологией. В городах и рабочих поселках отрицательное воздействие на людей оказывают газы, выбрасываемые транспортом и промышленными предприятиями. Улучшить состояние воздушной среды в местах компактного проживания населения возможно с помощью организованной аэрации жилых кварталов. Комфортная среда обитания человека — это подвижный воздух внутри помещения, скорость которого не должна превышать нормативных значений. Вне здания хорошее самочувствие человек испытывает при воздействии на него ветра, скорость которого находится в пределах 1—3 м/с. При скорости ветра более 5 м/с человек испытывает дискомфорт.
Аэрационный режим района застройки зависит от направления и скорости ветра (розы ветров) и его компоновочного решения [3, 4]. Плотность застройки, расположение и этажность здания также влияют на аэрацию. Удаление загрязняющих веществ осуществляется путем правильного формирования аэрации внутри застройки. В процессе проектирования района застройки необходимо избегать застойных зон, где скорость ветра может быть меньше 1 м/с, выявлять комфортные зоны и не допускать зон с высокими скоростями ветра более 5 м/с. Высокая плотность застройки создает значительные трудности ее аэрации. В нем общая площадь застойных зон и зон дискомфорта увеличивается.
X
строительная теплофизика и энергосбережение
Выбрать наиболее правильную и эффективную компоновку зданий в районе застройки можно путем научных исследований одним из трех методов: натурным, теоретическим и экспериментальным. Теоретический метод основан на решении дифференциального уравнения движения вязкой жидкости Навье-Стокса. Натурный метод исследования является очень трудоемким и не дает возможности изучения большого количества вариантов компоновки здания в застройке.
Качественную картину и количественную оценку вентиляции жилой застройки или отдельной комнаты в здании можно получить при помощи моделирования полей скоростей в гидролотке. Испытание в гидролотке предполагает применение метода газогидравлической аналогии, который основан на сравнении уравнения движения невязкой несжимаемой жидкости в открытом канале и уравнения плоского потенциального движения газа. Достоинством метода газогидравлической аналогии является его дешевизна, простота и наглядность. При испытании в гидролотке необходимо соблюдать равенство критериев Рейнольдса при стационарном режиме, а также Рейнольдса и Струхаля при нестационарном режиме обтекания тел потоком жидкости. Однако, в случае, когда предметом изучения является скоростное поле вне пограничного слоя и размеры последнего во много раз меньше размеров интересующей нас области, можно в пределах этой области пренебречь влиянием вязкости и рассматривать движущуюся жидкость как идеальную. В связи с этим отпадает требование о соблюдении равенства критериев Рейнольдса для модели и натурного объекта. Единственным условием моделирования скоростных полей в этих случаях остается соблюдение геометрического подобия.
Преимущество этого метода перед методом продувки моделей зданий в аэродинамической трубе состоит в том, что мы визуально можем наблюдать физическую картину течения, образование и распад вихрей, увидеть и зафиксировать застойные зоны и приближенно, за короткий промежуток времени, определить значения скоростей в любой точке. Существенным недостатком такой методики является то обстоятельство, что в гидролотке невозможно определить поле давлений. Только при использовании двух методов исследования: в гидролотке и продувка моделей в аэродинамической трубе возможно получить приближенную картину обтекания тел потоком жидкости.
В лаборатории тепло-массобмена НИИ строительной физики в 1961 году был установлен плоский гидролоток системы Ханженкова В.И., а в 1968 г. — объемный. В этих гидролотках в те-
о Оч
чг
I -1
2500
I
16 2 5
ГГ г Г
1750
»|<48(М2701<
/
I
Рисунок 1. Схема гидролотка
чение многих лет проводились исследования по аэрации территорий застройки, вентиляции и др. исследования, связанные с движением жидкости. Однако во время перехода страны к капитализму и отсутствия финансирования эти два гидролотка были демонтированы. В настоящее время назрела необходимость возобновить прерванные научные и практические исследования на гидролотке. Ниже приведен схематический чертеж общего вида открытого гидравлического лотка системы Ханжонкова (рис. 1). Вода в гидравлический лоток подается через систему сопел /I/ непосредственно из водопроводной сети. Пройдя через боковые каналы /2/, вода поступает в успокоительную часть /3/, имеющую большую глубину и предназначенную для погашения возникающей при истечении из сопел турбулентности. Затем жидкость в гидролотке проходит через рабочую часть /5/ и за счет эжекционного эффекта снова попадает в боковые каналы. Излишек жидкости через патрубок /6/ поступает в канализационную сеть. Лоток снабжен также отверстием /4/, предназначенным для слива воды после окончания эксперимента. Имеющаяся на патрубке нарезная муфта позволяет изменить глубину слоя воды в лотке. Для получения количественной картины в качестве индикатора используется бумажное конфетти (диаметр частиц 2 мм). При фотографировании с определенной выдержкой траектория каждой частицы отображается в виде штриха, по длине которого можно судить о скорости частиц. Штрихи, представляющие собой отрезки прямой или близкой к прямой линии, можно с достаточной точностью считать векторами скорости в каждой данной точке. Все зафиксированные кадры, относящиеся к одному положению в программе обработки изображений, последовательно накладываются друг на
строительная теплофизика и энергосбережение
друга. При этом векторы скорости помечаются различными цветами в зависимости от относительной ее величины (за условную единицу принимается скорость набегающего потока).
Негативным фактором, который также влияет на экологию и энергоэффективность селитебной территории, является шум. Снижение значений уровней шума достигается с помощью градостроительных средств, например, путем строительства плоских акустических экранов. Обеспечение комфортных акустических условий, не превышающих нормативных значений, требует дополнительных энергетических затрат.
Литература
1. ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», М., 1999.
2. СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания», изд. 1995.
3. Реттер Э.И., Стриженов С.И. Аэродинамика зданий. М., Госстройиздат, 1968.
4. Серебровский Ф.Л. Аэрация жилой застройки. Стройиздат, М., 1971.
5. Савин В.К., Савина Н.В. Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий. «Academia» Архитектура и строительство, №1, 2010.
6. Савин В.К. Строительная физика: аэродинамика и теплообмен при взаимодействии потоков и струй со зданиями. М. «Лазурь», 2008.
7. Колотилкин Б.М. Долговечность жилых зданий. Издательство литературы по строительству. М., 1965.
Объемно-планировочные решения, экология и энергетическая эффективность зданий
Рассмотрено влияние объемно-планировочных решений на энергетическую эффективность и экологию здания и района застройки.
The space-planning decisions, ecology and power efficiency of the buildings
by V.Savin, I. Sankin, N.Savina
The influence of space-planning decisions on power efficiency and ecology of a building and building area is considered in the article.
Ключевые слова: здания, эффективность, объемно-планировочные решения, район застройки.
Key words: buildings, efficiency, space-planning decisions, building area.
