Приемы обеспечения комфорта в энергоэффективных зданиях в жарком климате Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Градостроительство и архитектура

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 721:502.3

М.А. ГОНЧАРОВА1, д-р техн. наук ([email protected]); А. ХЕЗЛА2, инженер

1 Липецкий государственный технический университет (398600, г. Липецк, ул. Московская, 30) 2 Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65)

Приемы обеспечения комфорта в энергоэффективных зданиях в жарком климате*

Представлены результаты оптимизации критериев, влияющих на комфорт в условиях жаркого сухого климата. Рассматривается современный опыт проектирования и строительства жилья, а также используется комплексный подход при анализе условий формирования комфортного проживания. Предложены архитектурно-планировочные решения, организующие потоки тепловой энергии между внешней и внутренней сторонами стены. Для этого предложены системы наружной теплоизоляции, позволяющие защитить стеновые материалы от нагрева. Предлагается включить адаптационные факторы, позволяющие приспособиться к климату, образу жизни и местной культуре, в градостроительное и архитектурное планирование в странах с жарким климатом.

Ключевые слова: комфорт, энергоэффективные здания, теплоизоляционные материалы, пенополиуретан.

M.A. GONCHAROVA1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]); A. HEZLA2, Engineer 1 Lipetsk State Technical University (30, Moskovskaya Street, 398600, Lipetsk, Russian Federation), 2 Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, (65, Ilyinskaya Street, 603950, Nizhny Novgorod, Russian Federation)

Techniques for Providing Comfort in Energy-Efficient Buildings in Hot Climate*

Results of the optimization of criteria influencing on the comfort under conditions of dry hot climate are presented. The contemporary experience in designing and construction of housing is considered; the complex approach in the course of the analysis of conditions for ensuring the comfortable habitation is used. Architectural-planning decisions organizing heat energy flows between the external and internal surfaces of a wall are proposed. For this purpose, the external heat insulation system, which makes it possible to protect wall materials against heating, is proposed. It is also proposed to include adaptation factors which make it possible to adapt to the climate, lifestyle, and local culture in the urban and architectural planning in countries with hot climate.

Keywords: comfort, energy-efficient buildings, heat insulation materials, polyurethane foam.

Последнее десятилетие территория Северной Сахары Алжира динамично развивается, что сказывается на количестве возводимого жилья. В настоящее время в Алжире применяются архитектурно-планировочные и градостроительные решения, разработанные на основе опыта европейских стран. При этом не учитываются особенности проектирования и строительства зданий в соответствии с богатейшей тысячелетней культурой и архитектурой Алжира, его климатом, ландшафтом, требованиями религии. Действующих в стране нормативных документов и рекомендаций по изменению сложившейся архитектурно-планировочной системы явно недостаточно. В результате все чаще фиксируются разрушение градостроительной структуры исторических городов, снижение уровня комфорта зданий; возникновение противоречий с образом жизни населения, его культурными и религиозными традициями; снижение социально-экономической эффективности застройки.

Известно, что климат в засушливых районах Алжира характеризуется:

- годовой инсоляцией, достигающей 90% от теоретического максимума, т. е. от 3500 до 4000 ч;

- низкой относительной влажностью, в среднем менее 50%;

- высокой средней температурой (25-30оС) и очень контрастными температурными режимами;

- экстремальной разницей температур: дневные максимумы могут достигать 50оС летом, а зимой температура ночью может быть меньше, чем 0оС;

- сильными порывами ветра (песчаные бури);

- редкими и нерегулярными осадками, часто кратковременными, а иногда в виде ливней с мгновенным испарением.

Мировой опыт строительства свидетельствует, что в таком случае крайне важны планировка и правильная ориентация здания, продуманный выбор светопрозрачных конструкций, правильный выбор эффективных теплоизоляционных материалов, хорошая система вентиляции [1].

При рассмотрении взаимосвязи элементов городской территории и климата особое внимание должно быть уделено [2-5]:

- радиационному режиму, длительности солнечной инсоляции на отдельных участках в условиях пересеченного рельефа;

- температурному, ветровому и влажностному режимам.

Тепловой комфорт определяет диапазоны температуры, скорость потока воздуха и уровень влажности. По существу, тепловой комфорт является функцией теплообмена между человеческим телом и окружающей средой (рис. 1).

* Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части (НИР 496).

* The works has been executed under the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the frame of the basic part (NIR 496).

60l — 92015

Научно-технический и производственный журнал СТРОИТЕЛ Town planning and architecture

45

О 35

Скорость движения воздуха, м/с

5 25

■ 15

Солнечное ™ освещение, "J-Вт/м2

10 20

30 40 50 60 70 80 Относительная влажность, %

90 100

Рис. 1. Зоны теплового комфорта в зависимости от скорости воздуха

Относительная чувствительность глаза 0, 0, 0, 0, О 2 4 6 С» 1

/ \

/ \

/ 1

/

/ 1

■ \

\

у \

\

s

300 400 500 600 700 Длина волны, nm 800

UV ■ II 1 1 IR

К = \ + К2 + Х3,

(1)

где Х1 - коэффициент теплопроводности твердого тела (полимера); Х2 - коэффициент теплопроводности газовой

Рис. 2. Направления естественной вентиляции в зависимости от разности давлений, вызванных ветром или разностью температур

Ы|*Р

Id Ij

В

S i В'

Деревянные Тканевые жалюзи створки 9-10% 7-19% 34-59%

! m

Венецианские жалюзи 11-13% 45-65%

i!

Рис. 3. Относительная чувствительность глаза по отношению к длине волны светового спектра

Расположив фасады здания, имеющие наибольшую площадь, параллельно линии падения солнечных лучей в жаркий период, можно в несколько раз уменьшить нагрев. Целесообразно предусматривать и тепловые зоны, основные жилые помещения при этом должны быть окружены вспомогательными.

Для достижения термического и гидрометрического комфорта необходимо правильно организовать поток тепловой энергии между внешней и внутренней сторонами стены [2]. Использование современных теплоизоляционных материалов - это еще одна возможность создания комфортного микроклимата, эффективная звукоизоляция, пожарная безопасность здания [6, 7]. При выборе таких материалов особое внимание уделяется теплоизоляционным свойствам - коэффициент теплопроводности не должен быть больше 0,05 Вт/(мК). Важны и другие характеристики, в частности негорючесть, безопасность для людей и окружающей среды, срок службы [8].

Изучение физико-механических свойств жесткого пенополиуретана (ППУ) как представителя теплоизоляционных композиционных материалов базируется на учете признаков и свойств полимерных материалов. При этом необходимо учитывать тот факт, что газовая фаза выступает в роли наполнителя для модификации свойств пенополимера.

Коэффициент теплопроводности пенополиуретана может быть выражен уравнением [9, 10]:

Рис. 4. Системы защиты от солнечных факторов для одинарного остекления

фазы в ячейках; Х3 - коэффициент теплопроводности за счет конвекции; Х4 - теплопроводность за счет излучения.

Количество твердой фазы в пенополиуретане определяет теплопроводность полимера-основы и рассчитывается по формуле:

\ = а^, (2)

где Уп - объемное содержание полимера; а - постоянная, учитывающая ориентацию тяжей пенопласта в направлении теплового потока (а=0,75); Х^ - коэффициент теплопроводности полимера.

Теплопроводность газа вычисляется следующим образом:

К

^закрКсмеси + ^закр)Кво'

(3)

где Vзaкр - объемная доля закрытых пор в пенопласте; Хсмеси - эффективный коэффициент теплопроводности смеси газов в замкнутых ячейках; Хвозд - коэффициент теплопроводности воздуха.

Конвективный теплообмен вносит существенный вклад в значение коэффициента теплопроводности лишь при диаметре ячеек 1,5-4 мм. Пенопласты с таким размером ячеек производят достаточно редко, поэтому конвективным переносом тепла можно пренебречь, т. е. Хзакр=0.

Теплопроводность за счет излучения для легких пено-пластов выражается в виде:

Х4 = М • x + с, (4)

где М и c - постоянные размеры ячеек; x - линейные размеры.

5

0

Градостроительство и архитектура

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 5. Различные эффекты, создающиеся за счет растительности

Особый интерес представляет изменение коэффициента теплопроводности при повышенных температурах. Доказано, что с повышением температуры значение коэффициента теплопроводности увеличивается за счет повышения теплопроводности газа в ячейках материала. Если же температура понижается, то значение коэффициента теплопроводности уменьшается не только из-за снижения теплопроводности газа в ячейках пенополиуретана, но и за счет создания в них небольшого разрежения. При температурах от 25оС и ниже наблюдается дальнейшее уменьшение значения коэффициента теплопроводности. Но в области конденсации газа (наполнителя) характер изменения теплопроводности резко меняется - появляется максимум, что обусловлено дополнительным вкладом теплопроводности вследствие проявления эффекта «тепловых труб» [10].

Для большинства жестких пенополиуретанов теплопроводность возрастает приблизительно на 0,001 Вт/(моС) при повышении температуры на 10оС. Это связано с увеличением скорости диффузии и конвективного теплопереноса, при этом, несмотря на высокую теплопроводность полимера (твердой фазы), ее процент от общей теплопроводности пенополиуретана составляет лишь 20% [9].

Коэффициент теплопроводности зависит от формы и размера ячеек, а также от свойств заполняющего их газа. Выпускаемые на сегодняшний день пенополиуретаны имеют коэффициент теплопроводности от 0,016 до 0,03 Вт/(моС), что является действительно хорошим показателем.

Изоляция из пенопласта имеет существенный недостаток - тепловую усадку. Когда материал подвергается длительному воздействию температуры 80оС, меняется его состав [10].

В жарком климате необходимо обеспечить наружную теплоизоляцию, в частности систему вентилируемых фасадов [2]. В этом случае между теплоизоляционным слоем и несущей стеной имеется воздушный зазор, за счет чего стена защищена от прямой солнечной радиации, а изоляция - от увлажнения удаляемым из помещения водяным паром. В вентиляционном зазоре устанавливается движение воздушных потоков, позволяющее сохранять оптимальный микроклимат.

Применяются в южных районах и штукатурные фасады. В этих целях в настоящее время используются специальные составы с модифицированными полимерными добавками. Важно защитить изоляционный материал от воздействия воды, которая снижает изотермические свойства ма-

62| -

териала и может способствовать появлению плесени. Воздействие насекомых и животных также может привести к повреждению изоляции [6].

Как уже было сказано, для снижения температуры существуют два взаимодополняющих подхода:

- защитить здания от солнечной радиации;

- спроектировать воздушные массы, которые уменьшали бы потоки внутреннего тепла и солнечного света (рис. 2).

Защита здания от солнечной радиации определяется несколькими факторами, а именно: морфологией и формой зданий; теплоизоляцией элементов зданий; ориентацией здания; морфологией архитектурной формы; строительными материалами и системами перекрытий.

Изогнутые крыши (купола, арки, своды) способствуют увеличению количества теней; уменьшению площади поверхности крыши, находящейся под солнцем; увеличению внутреннего объема здания и лучшей циркуляции воздуха; смягчению негативных последствий песчаных бурь и препятствуют накоплению песка и пыли.

Визуальный комфорт является субъективным понятием. Факторами, относящимися к визуальным параметрам комфорта, являются: уровень освещенности; распределение цвета в пространстве; освещенность в помещении; отсутствие резких теней; цветопередача; отсутствие бликов и другие [11]. Как известно, человеческий глаз лучше приспособлен к естественному свету, чем к искусственному освещению (рис. 3).

Спектральная кривая чувствительности глаза показывает, что поток света темно-голубого или красного цвета должен быть приблизительно в десять раз больше потока света зеленого или желтого цвета для того же ощущения освещенности.

Одной из основных задач биоклиматической архитектуры в условиях жаркого климата является защита солнечной стороны фасада здания. Экраны изоляции, отражающие покрытия, использование съемных средств против проникновения света: жалюзи, ставни или шторы, имеющие несколько систем защиты (рис. 4).

В современной практике существует два основных метода увлажнения воздуха:

- увлажнение воздуха при помощи зеленых насаждений или водных источников (фонтанов), которые находятся в центре внутреннего двора дома. Зеленые насаждения участвуют в защите здания от солнца. Листва деревьев может фильтровать от 60 до 90% солнечной радиации, а ковер из растительности может уменьшить солнечное излучение, отраженное от земли. Таким образом, растительность стабилизирует температуру воздуха благодаря задержке капиллярной влаги в листьях и испарению воды с их поверхности (рис. 5). Это также позволяет повысить уровень комфорта;

- увлажнение воздуха через систему Almlagaf - систему вентиляции, при которой воздух забирается с улицы через специальный воздухоприемник, находящийся выше здания, с воздухозаборными окнами по бокам, повернутыми в направлениях господствующих ветров. Через воз-духоприемник горячий воздух попадает в воздуховод, где фильтруется через простые фильтры из мелкой деревянной решетки или ткани и, опускаясь вниз, охлаждается; внизу воздуховода установлен бассейн с водой для увлажнения остывшего воздуха, после чего он попадает в помещение.

^^^^^^^^^^^^^ 92015

Научно-технический и производственный журнал

Town planning and architecture

Таким образом, климатические факторы существенно влияют на форму и расположение зданий, выбор строительных материалов, поверхность и цвет отделочных материалов, а также на планирование пространства, улиц, внутренних двориков и садов.

Список литературы

1. Савин В.К., Волкова Н.Г., Попова Ю.К., Роль экологических и климатических факторов при застройке территории // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 56-59.

2. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И. Скорость движения воздуха в прослойке навесной фасадной системы при естественной вентиляции // Жилищное строительство. 2013. № 10. С. 14-17.

3. Субботин О.С. Особенности регенерации кварталов исторической застройки. Ч. 1 // Жилищное строительство. 2012. № 10. С. 22-25.

4. Садыков Р.А. Теория процессов стационарного нелинейного переноса с учетом фильтрации воздуха, конденсации или испарения парообразной влаги // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 3. С. 268-276.

5. Верховский А.А., Шеховцов А.В., Нанасов И.М., Энергоэффективность высотных зданий // Высотные здания. 2011. № 10-11. С. 96-101.

6. Самарин О.Д. Нормирование энергопотребления здания с учетом теплопоступлений от солнечной радиации // Жилищное строительство. 2013. № 1. С. 32-34.

7. Лесовик В.С. Архитектурная геоника // Жилищное строительство. 2013. № 1. С. 9-13.

8. Умнякова Н.П. Возведение энергоэффективных зданий в целях уменьшения воздействия на окружающую среду // Вестник МГСУ. 2011. № 3. С. 221-227.

9. Корнеев А.Д., Гончарова М.А., Шаталов Г.А. Технология композитной черепицы с теплоизоляцией из наполненного пенополиуретана // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 92-95.

10. Гончарова М.А., Бондарев Б.А., Проскурякова А.О. Прогнозирование долговечности наполненного пенополиуретана в кровельной сэндвич-панели // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. 2014. № 3 (35). С. 31-37.

11. Попов А.Д. Человек - цвет - среда. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. 252 с.

References

1. Savin V.K., Volkova N.G., Popova Yu.K. Role of ecological and climatic factors when building the territory. Zhilishhnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 56-59. (In Russian).

2. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I. Speed of the movement of air in a layer of hinged front system at natural ventilation. Zhilishhnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 10, pp. 14-17. (In Russian).

3. Subbotin O.S. Features of regeneration of quarters of historical building. P. 1. Zhilishhnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 10, pp. 22-25. (In Russian).

4. Sadykov R.A. The theory of processes of stationary nonlinear transfer taking into account a filtration of air, condensation or evaporation of vaporous moisture. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2011. No. 3, pp. 268-276. (In Russian).

5. Verkhovskii A.A., Shekhovtsov A.V., Nanasov I.M. Energy efficiency of high-rise buildings. Vysotnye zdaniya. 2011. No. 10-11, pp. 96-101. (In Russian).

6. Samarin O.D. Rationing of energy consumption of the building taking into account heatreceipts from solar radiation. Zhilishhnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 1, pp. 32-34. (In Russian).

7. Lesovik V.S. Arkhitekturnaya geonika [Arkhitekturnaya of a geonickname]. Zhilishhnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 1, pp. 9-13. (In Russian).

8. Umnyakova N.P. Construction of power effective buildings for reduction of impact on environment. Vestnik MGSU. 2011. No. 3, pp. 221-227. (In Russian).

9. Korneev A.D., Goncharova M.A., Shatalov G.A. Tekhnologiya of a composite tile with thermal insulation from the filled polyurethane foam. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 3, pp. 92-95. (In Russian).

10. Goncharova M.A., Bondarev B.A., Proskuryakova A.O. Forecasting of durability of the filled polyurethane foam in roofing a sandwich panel. Nauchnyi vestnik Voronezhsko-go GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2014. No. 3 (35), pp. 31-37. (In Russian).

11. Popov A.D. Chelovek - tsvet - sreda [Chelovek - color -habitat]. Belgorod: BGTU im. V.G. Shukhova, 2010. 252 p. (In Russian).

_ЮВОСй!

Новое покрытие превратит любое стекло в электрогенератор

Ученые факультета материаловедения Миланского университета им. Биккоки (Италия) и Центра передовой солнечной фотофизики (г. Лос-Аламос, США) разработали новое нетоксичное покрытие из квантовых точек, которое превращает любое стекло в прозрачный электрический генератор.

Покрытие из квантовых точек образует люминесцентный солнечный концентратор, в дневное время поглощающий солнечные лучи, которые проходят сквозь прозрачное стекло.

По словам ученых, фракция прошедшего через окно света поглощается наноразмерными частицами, диспергированными на оконное стекло, которые эмитируют фотоны в невидимом для человеческого глаза инфракрасном диапазоне. Последние направляются на расположенные по краям окна солнечные элементы, генерирующие электриче-

ский ток. Исследователи считают, что такое прозрачное окно-генератор способно вырабатывать столько электричества, сколько хватит для работы домашнего кондиционера или обогревателя.

Инновационное покрытие из квантовых точек практически готово для коммерциализации и внедрения в массовое производство в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Из чего следует, что в скором времени мы сможет превращать не только крыши, но и все поверхности здания, включая окна, в генераторы солнечной энергии.

Согласно подсчетам ученых, покрытие всех окон Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, площадью 72 тыс. м2, слоем из квантовых точек обеспечит выработку электричества в количестве достаточном для энергоснабжения 350 средних квартир.

По материалам http://www.vzavtra.net/