CC BY
424
УДК 699.86
ГОЛОВНЕВ С. Г.
РУСАНОВА. Е.
Оценка влияния архитектурнопланировочных решений гражданских зданий на энергоэффективность
Головнев
Станислав
Георгиевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета (Национальный исследовательский университет)
e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются проектные решения, повышающие энергетическую эффективность зданий. Подробно рассмотрено влияние геометрической формы здания на площадь вертикальных наружных ограждающих конструкций, а также влияние уширения корпуса здания на энергетическую эффективность.
Ключевые слова: архитектурно-планировочные решения, корпусные здания, энергоэффективность, гражданские здания, ограждающие конструкции.
GOLOVNEVS. G.
RUSANOVA. E.
ESTIMATE THE IMPACT OF ARCHITECTURAL AND PLANING DECISIONS OF CIVIL BUILDINGS ON ENERGY EFFICIENCY
The article deals with the design decisions that improve the energy efficiency of buildings. Investigated in detail the influence of geometric shape of the building to the area of vertical exterior building envelope. Also, investigated the influence of the broadening of the building shellfor energy efficiency.
Keywords: architectural decisions, case buildings, power efficiency, the civil buildings protecting designs.
Русанов
Алексей
Евгеньевич
соискатель ученой степени, ассистент кафедры «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета (Национальный исследовательский университет)
е-таН:7уагиз@дтаП.сот
На современном этапе строительного производства очевидна необходимость повышения эффективности энергопотребления. По данным отечественных и зарубежных исследований, здания, строения, сооружения потребляют более 40% всей произведенной энергии. Энергоемкость строительной продукции в нашей стране выше зарубежных показателей. Стоит отметить, что для экономики Российской Федерации данная проблема весьма актуальна. Энергоемкость ВВП России в 2,5 раза выше среднемирового уровня и в 3,0-3,5 раза выше, чем в развитых странах. Более 83% жилых зданий было построено еще до 1990 г. [1, 2].
Главная задача энергосбережения — обеспечение комфортных условий для нахождения людей в здании с максимально возможной минимизацией ресурсов на поддержание этих условий. XXI век — это переходный этап к использованию нетрадиционных источников энергии. Общее истощение ресурсов все более стимулирует рост цен на ресурсы и процесс поиска альтернативных источников энергии для нужд человечества. Перспективная направленность проектирования в жилищном секторе на современном этапе возможна при соблюдении усло-
вия минимизации теплопотерь здания и учета экологической составляющей строительства.
Проектирование энергоэффективного здания включает в себя учет комплекса факторов, совокупная реализация которых позволяет обеспечить общество энергоэкономичными зданиями. К числу таких факторов относятся: архи-тектурно-планировочные решения, эффективные инженерные системы, теплоэффективные ограждающие конструкции, система качества CMP [3]. При проектировании необходимо проводить финансово-стоимостной анализ выбора совокупности энергосберегающих решений.
В 1980-1990-х гг. в зарубежных странах начался активный поиск альтернативных решений в области энергосбережения, позволяющих частично или полностью удовлетворить энергопотребности за счет применения: солнечной энергии и гелеосистем; ветровой энергии; тепловой энергии земли; котельных установок; лучистых систем отопления; оборотных систем вентиляции; эффективных стройматериалов.
Массовое внедрение указанных технологий на территории России является на данный момент перспективным направлением, но не постоянной практикой.
В современном строительстве преобладают следующие тенденции:
• строительство высотных односекционных домов (ориентация по всем сторонам, большая ширина в сравнении с многосекционными, использование одного лестнично-лифтового узла (9-22 эт.);
• строительство ширококорпусных зданий;
• повышение уровня комфортности и безопасности всех решений;
• использование новых проектных решений (повышение теплозащитных характеристик ограждающих конструкций);
• переход от полносборного (панельного) домостроения к сборно-монолитному с использованием штучных стеновых материалов;
• применение эффективных инженерных систем [5].
Основными рекомендациями
по энергоэффективному проектированию зданий являются следующие:
1 Ориентирование здания на южную сторону.
2 Сосредоточение остекления на южной стороне.
3 Использование авторегулируемой зональной системы отопления.
4 Уменьшение влияния затенения от других зданий.
5 Обеспечение теплоустойчивости конструкции здания, чтобы избежать перегрева в летнее время и охлаждения в зимнее.
6 Использование теплоэффективных ограждающих конструкций. В настоящее время возникла необходимость в разработке новых принципов проектирования зданий,
отвечающих требованиям экономичности, экологичности, высокой комфортности, энергоэффективности.
Согласно п. 7.7 [6] снижение расчетной величины удельного потребления тепловой энергии здания может быть достигнуто за счет:
• изменения объемно-планировоч-ных решений, обеспечивающих наименьшую площадь наружных ограждений, уменьшения числа углов, увеличения ширины зданий, использования ориентации и рациональной компоновки многосекционных зданий;
• блокирования зданий с обеспечением надежного примыкания соседних зданий;
• возможности размещения зданий с меридиональной или близкой к ней ориентацией фасада.
За счет различных объемно-планировочных, архитектурных, конструктивных решений появляется возможность по-разному определять тепловой режим здания.
Здания одного функционального значения имеют разную типизацию в зависимости от климатических, гигиенических, технических особенностей региона строительства. Это определяет их компоновку.
В строительных нормах [4] предусмотрен геометрический параметр, влияющий на энергопотребление того или иного планировочного решения — коэффициент компактности Ке (м2/м3), который равен отношению общей площади поверхности наружных ограждающих конструкций к объему, заключенному внутри них.
Форма планировки здания оказывает влияние не только на архитек-
турные особенности, но и на энергоэффективность здания. Процесс проектирования энергоэкономичных зданий необходимо начинать с анализа объемно-планировочных решений.К мероприятиям по увеличению энергоэффективности относятся:
• уменьшение показателя удельного периметра наружных стен м/м2 (отношение периметра наружных ограждающих конструкций к площади этажа);
• уменьшение значения коэффициента компактности К, (м2/м3);
• увеличение ширины корпуса здания.
Моделирование линейных параметров здания (длина, ширина, высота) имеет результатом различную суммарную площадь оболочки здания и, как следствие, различные теплопотери. Важно количественно оценить влияние энергосберегающих мероприятий, связанных с моделированием архитектурно-планировоч-ных решений.
Для выявления закономерностей изменения площади вертикальных наружных ограждений (ВНОК) в зависимости от изменения площади этажа примем ряд условных объектов с разными значениями площадей этажа (200, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2000 м2). В рассмотрении приняты наиболее распространенные значения площадей этажа при различных планировочных решениях. Диапазон значений площадей этажа от 200 до 400 м2 включает соответствующие значения наиболее распространенных в нашей стране типовых планировочных решений. Значения больше 400 м2 соответст-
Площадь этажа здания
200 400 600 800 1000 1500 2000 6000
—12м 0 0 0 0 0 0 0 0
■®*15м 1,15 8,1 11,3 13.1 14,3 16,1 17 18,9
-а-18м -1.6 11,3 17,2 20,6 22,8 26 27,7 31,4
—21м -6,5 11,6 20 24,9 28 32,5 35 40,1
—24м -12,8 10,3 21 27,1 31,1 36,9 40 46,5
Иллюстрация 1. Зависимость изменения площади ограждаю- Иллюстрация 2. Зависимость сокращения площади вертикаль-щих конструкций от изменения площади этажа ных ограждающих конструкций от площади этажа здания
Таблица 1. Зависимость сокращения площади ограждения от ширины здания, %
Площадь, м2 От 12 до 18 м От 18 до 24 м
200 -1,6 -11,2
400 11,3 -1
600 17,2 3,8
800 20,6 6,5
1000 22,8 8,3
1500 26 10,9
2000 27,7 12,3
6000 31,4 15,1
вуют сблокированным протяженным зданиям. Для одновременного анализа влияния геометрической формы здания на энергоэффективность для каждого значения площади этажа будем рассматривать различные геометрических формы этажа (квадрат, круг, прямоугольник с шириной 12 м, прямоугольник шириной 18 м, равносторонний треугольник, шестигранник, восьмигранник). Принятые к рассмотрению геометрические формы и значения площади этажа достаточно условны, так как в реальном проектировании объемная планировка более сложна, что обуславливает степень отклонения от полученных зависимостей. Так как основная база сборного домостроения ориентирована на значение высоты этажа в 2,8 м, то примем высоту этажа постоянной и равной 2,8 м (Иллюстрация 1). Данные расчета приведены в таблице и проиллюстрированы на диаграмме. Анализ результатов позволяет сформулировать следующие выводы:
• при одинаковой площади этажа различие геометрических форм определяет различные значения площади вертикальных наружных ограждающих конструкций;
• наиболее целесообразной является круглая геометрическая форма, так как она дает минимальное значение площади ограждения;
• многогранные формы более целесообразны по сравнению с квадратом, но большое число углов увеличивает количество теплопо-терь здания, а значит, наиболее рациональными формами являются квадрат и прямоугольник;
• уширение корпуса прямоугольного здания уменьшает теплопоте-ри, что демонстрирует диаграмма для значений ширины прямоугольного здания в 12 м и 18 м;
• традиционная прямоугольная форма здания шириной 12 м является наименее предпочтительной. Следовательно, вариация объемно-планировочных решений с целью
уменьшения отношения площади ВНОК к площади этажа является актуальным направлением в энергосбережении.
Представляет интерес вариация компоновки прямоугольного здания как наиболее распространенной геометрической формы с целью выявления зависимостей снижения площади вертикальных ограждающих конструкций от изменения ширины корпуса здания. Решение достигается перебором значений ширины здания от 12 до 24 м при увеличении площади этажа от 200 до 6000 м2 и определении площади вертикальных ограждающих конструкций в каждом варианте (Иллюстрация 2). Для каждого варианта определим в пределах одного этажа площадь вертикальных наружных ограждающих конструкций при ширине корпуса здания 12, 15, 18, 21, 24 м. Шаг изменения ширины принят 3 м. За базовую ширину принята ширина здания 12 м, что соответствует наиболее распространенной в типовых решениях узкокорпусной планировке. Определим процентное сокращение площади ограждения при изменении ширины от 12 до 24 м.
Как видно, эффективность увеличения ширины здания повышается с увеличением площади этажа. При значении ширины здания 21 м для площади этажа 400 м2 эффективность сокращения площади по отношению к базовым 12 м составит 11,6%, для площади этажа 800 м2 - 25%, для площади этажа 1500 м2- 32,5%.
При неизменной площади этажа прирост эффективности снижается по мере увеличения ширины здания. При площади этажа 600 м2 изменение ширины здания от 12 до 18 м дает процент эффективности сокращения площади ограждения в 17,2%, дальнейшее увеличение ширины от 18 до 24 м даст только 3,8% (Таблица 1). Отрицательные значения, например, при площади этажа 200 м2, обусловлены влиянием формы здания, когда
более эффективная квадратная форма преобразуется в прямоугольную форму с большим значением площади ограждения.
В рассмотренных границах здания от 200 до 6000 м2 эффективность увеличения ширины здания дает уменьшение площади вертикальных наружных ограждений до 47%. Как следствие, сокращается количество теплопотерь и общая стоимость здания, так как стоимость вертикальных наружных ограждающих конструкций составляет от 20 до 40% общей стоимости здания.
Заключение
1 При проектировании необходимо учитывать влияние объемнопланировочных решений с целью повышения энергоэффективности и уменьшения общей стоимости.
2 Геометрическая форма здания влияет на значение площади вертикальных наружных ограждающих конструкций.
3 Эффективность увеличения ширины здания повышается с увеличением площади этажа (в диапазоне площадей этажа от 200 до 6000 м2 эффективность увеличения ширины здания дает уменьшение площади вертикальных наружных ограждений до 47%).
4 При неизменной площади этажа прирост эффективности снижается по мере увеличения ширины здания (для площади этажа 800 м2 изменение ширины от 12 до 18 м — 20,6%, дальнейшее увеличение ширины от 18 до 24 м — 6,5%).
Список использованной литературы
1 Об утверждении требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений ; приказ № 224 МРР РФ от 17.05.2011.
2 О государственной программе «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» : Распоряжение Правительства РФ № 2446-р от 27.12.2010.
3 Байбурин А. X., Головнев С. Г. Качество и безопасность строительных технологий : монография. Челябинск, 2006.
4 СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
5 Булгаков С. Н. Энергоэкономичные ширококорпусные жилые дома XXI века : науч. издание. М., 2006.
6 СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.
