Энергоэффективное здание как симбиоз творчества
реклама
Энергоэффективное здание как симбиоз творчества архитектора и инженера Д.т.н. Ю.А. Табунщиков, Президент АВОК, Зав. кафедрой «Инженерное оборудование зданий» МАРХИ, член-корреспондент РААСН Введение Грандиозные масштабы мирового послевоенного строительства породили множество опасных для человека проблем из-за пренебрежительного отношения к среде обитания человека, к экологии. Так было всегда, и так всегда будет. Эта противоречивость не должна нас смущать, ибо вместе с ее пониманием возникает наука, которая помогает нам преодолевать эту противоречивость и которую теперь называют экологией человека. Термин «экология» в переводе с греческого означает «изучение собственного дома». Первоначально этот термин применялся тогда, когда речь шла об изучении взаимосвязей между растительными и животными сообществами и окружающей средой. Но постепенно пришло понимание того, что и человек – его образ жизни, его судьба – также неотделим от окружающей среды и составляет ее неотъемлемую часть. Так возникла и стала развиваться наука экология человека. В последние двадцать лет эта наука в нашей сфере деятельности проявляется в ряде крупных бурно развивающихся направлений: энергоэффективные здания, здоровые здания, интеллектуальные здания, биоэнергетические здания. Каждое из этих научных направлений имеет в определенной степени разработанные основы, содержащие ряд серьезных незаконченностей и неопределенностей. Но изучение отдельных локальных направлений недостаточно: необходимо изучать здание как одно целое в его взаимодействии с человеком и окружающей средой и, как следствие, понять принципы гармонии человека, здания и природы. «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). Эти здания получили названия «Sustainable Buildings», и на Западе работы по созданию науки о них ведутся уже длительное время. Схематично «Sustainable Buildings» можно представить состоящими из трех взаимосвязанных понятий: комфортного микроклимата помещений, максимального использования энергии природы и оптимизированных энергетических элементов здания как единого целого. Поиски взаимодействия и компромисса между этими элементами послужат созданию экологически элитного здания, и это является главной задачей наших специалистов, по крайней мере, в первой половине XXI века. Схема жизнеудерживающего здания («Sustainable Buildings») Энергетически нейтральное здание Уменьшение потребности и Использование возобновляемых использования источников Водо-нейтральное здание Лимитирование потребности и Использование экологически чистой использования воды Здание из нейтральных строительных материалов Снижение потребности и применения Использование экологически чистых материалов и возобновляемых материалов Очень эффективное использование затребованной энергии Эффективный цикл использования Материалы использования повторного Занимаясь длительное время проблемой создания научных основ проектирования энергоэффективных зданий, автор стремился ответить на следующие вопросы: 1. Энергоэффективные здания – нужны ли архитектору и инженеру специальные знания для их проектирования? 2. Что такое «энергоэффективное здания»: система энергетически независимых инновационных решений или системный подход к зданию как единой энергетической системе и энергетически взаимосвязанные инновационные решения? 3. Как измерить успех (мастерство) архитектора и инженера при проектировании энергоэффективного здания? 4. Могут ли принципы проектирования энергоэффективного здания явиться новым подходом к проектированию любых зданий? 5. Почему до настоящего времени энергоэффективные здания не стали новым архитектурным стилем? Мировой и отечественный опыт проектирования и строительства энергоэффективных зданий Первое демонстрационное энергоэффективное здание в г. Манчестере, Нью-Хемпшир, США Первоначально проект здания в Манчестере предполагал строительство 6-этажного здания с площадью каждого этажа 1950 м2 и общей полезной площадью офисных площадей 11700 м2 . Была запланирована подземная автостоянка площадью 3900 м2. Здание имело меридиональную ориентацию с соотношением сторон 2:1. Рекомендации по выбору энергосберегающих мероприятий относились к выбору формы и ориентации здания, оптимизации ветрового воздействия на здание, повышению теплозащиты и теплоаккумуляционной способности наружных ограждающих конструкций, а также по размещению в них теплоизоляционного слоя, уменьшения площади остекления и использования солнцезащиты, а также использование тепла солнечной радиации в системе теплоснабжения здания. В части выбора формы и ориентации здания было установлено, что «размеры и ориентация места застройки ограничивают выбор оптимальной формы здания и его ориентацию с точки зрения энергосбережения»: прямоугольная в плане форма здания с длинными фасадами, обращенными к югу и северу, «уменьшает теплопоступления от солнечной радиации в летнее время, при этом в зимнее время, когда солнце расположено низко над горизонтом, имеется возможность использовать теплопоступления от солнечной радиацией». Однако размеры строительной площадки не позволили построить здание такой формы и ориентации. В окончательном варианте здание состоит из двухъярусного гаража, семи офисных этажей и технического чердака. Офисные этажи имеют размеры 40×33,5 м. Общая площадь здания 16350 м2 . Инфильтрационные теплопотери через наружные ограждающие конструкции здания, вызванные ветровым воздействием, могут быть уменьшены за счет использования особенностей места застройки или путем оптимизации аэродинамики самого здания – выбора его оптимальной формы по отношению к господствующему направлению ветра или за счет использования ветрозащитных ребер, барьеров и т.д. Рекомендации по экономии энергии, затрачиваемой на вентиляцию здания учитывались следующим образом: «уменьшение объема наружного воздуха путем пересмотра стандартов, создания мест для курения в строго определенных частях здания, группировки внутренних пространств по схожим функциям, замены наружного воздуха рециркуляционным, очищенным посредством системы абсорбирования, а также правильной организация воздухораспределения для снижения потребности в дополнительных объемах воздуха. Энергия, затрачиваемая на нагрев и охлаждение приточного воздуха, может быть уменьшена на 60-75% за счет применения рекуператоров тепла». Солнечная энергия рассматривалась как способ «обеспечить наивысший уровень энергосбережения», а также желание провести исследования технических и экономических возможностей ее использования в северных широтах США. Для снижения затрат энергии на освещение была рекомендована система управления искусственным освещением в зависимости от изменения уровня естественного освещения. Такая система в качестве эксперимента была установлена только на одном этаже. Светлоокрашенные полы, стены и потолки позволяют снизить затраты энергии на освещение благодаря большему взаимному отражению между поверхностями внутри здания, что в свою очередь создает большую освещенность. Избирательное «рабочее освещение» в местах, где оно больше необходимо, наряду с уменьшенным по интенсивности освещением в местах, где оно не является слишком важным (например, в гостиных, коридорах, проходах, или технических комнатах) более эффективно по сравнению с традиционным постоянным освещением на рабочих местах вне зависимости от того, какая работа выполняется. Большие открытые пространства внутри здания и «открытая планировка» дают возможность распространяться теплоте, выделяемой от источников освещения полученную и людей, равномерно по всему зданию. Более того, такой интерьер позволяет более эффективно использовать кондиционированный воздух путем его беспрепятственного перемещения из одного места в другое до рециркуляции. Форма, ориентация и коэффициент остекления здания Изначально узкое прямоугольное здание с длинным фасадом, обращенным непосредственно к солнечной западной стороне, было трансформировано в практически кубическую форму. Поскольку ограничения по размерам площади застройки не позволяли разместить прямоугольное здание, ориентированное фасадом на юг, которое бы было эффективным с точки зрения использования тепла солнечной радиации, то было решено придать этому зданию кубическую форму. Данное решение основывалось на принципе, что у здания кубической формы минимальная площадь поверхности наружных ограждений, которые и являются одним из главных источников теплопотерь. В результате принятого решения о придании зданию кубической формы появилась необходимость в «ограничении» площади остекления. Предварительные рекомендации по энергосбережению состояли в ограничении теплопотерь за счет резкого уменьшения площади остекления до 5% от площади наружных стен. Однако архитекторы посчитала данное ограничение слишком жестким, особенно учитывая прекрасный вид из окон здания. В окончательном варианте проекта был принят коэффициент остекления 12% на западном, восточном и южном фасадах (окна размером 0,6×1,5 м через каждые 3 м) и отсутствие остекления на северном фасаде здания. Для визуального увеличения оконного проема было решено сделать кромку внешней части стены вокруг каждого окна скошенной под углом 45°, что также позволило увеличить область просмотра из окна. Решение по отсутствию остекления на северном фасаде было принято с целью снижения теплопотерь здания. У северной стены на всех этажах расположены вспомогательные и обслуживающие помещения, в которых по нормативам не требуется естественного освещения. Наружные ограждающие конструкции По мнению проектировщиков, важным показателем тепловой эффективности наружных ограждающих конструкций здания является их теплоаккумуляционная характеристика. Теплоаккумуляционная характеристика может играть значительную роль в экономии энергии, затрачиваемой на отопление, если допускается понижение температуры внутреннего воздуха в помещениях в ночное время, в праздничные и нерабочие дни. Проектировщики и конструкторы исходили из своих предположений о том, что экономия энергии при периодической подаче тепла в помещение будет тем больше, чем выше теплоаккумуляционная способность внутреннего слоя наружной ограждающей конструкции. Для реализации этой предпосылки ими была выбрана двухслойная конструкция: внешний слой представлял собой теплоизоляционные панели из полиуретана толщиной 7,6 см, покрытого с наружной и внутренней стороны алюминиевыми листами, а внутренний слой был выполнен из бетонных блоков толщиной 30 см. Солнцезащитные устройства Солнцезащитные устройства были запроектированы так, чтобы контролировать потоки солнечной радиации, проходящие через окна, с целью исключить поступление прямой солнечной радиации в помещения через окна летом и максимально обеспечить их прохождение зимой. С этой целью на южном фасаде здания были устроены горизонтальные козырьки глубиной 91 см и вертикальное оребрение с каждой стороны окна. В летнее время вертикальное оребрение должно обеспечивать защиту от солнечных лучей при восходе и закате солнца, в то время, как защиту от высокостоящего дневного солнца должен обеспечить горизонтальный козырек. В зимнее время данные устройства не будут мешать проникновению солнечных лучей в здание, поскольку в этот период года солнце расположено ниже по отношению к горизонту. Оребрение дополнительно выполняет функцию защиты от ветра. На восточном и западном фасадах здания были устроены аналогичные затеняющие устройства, отличие заключалось только в том, что вертикальные оребрения имели разную глубину: с южной стороны окон – 20 см, с северной – 7,6 см, что определялось траекторией движения солнца в зимнее и летнее время. Использование естественного освещения Второй этаж был выбран в качестве экспериментального этажа по оценке влияния «естественного освещения» на экономию энергии. На этом этаже площадь остекления была увеличена с 12 до 30 % от площади поверхности стены. При выборе формы и места расположения окон исходили из того, что при расположении окон ближе к потолку, свет, отраженный от потолка увеличивал освещенность рабочего места. Недостатком расположения окон вплотную к потолку являлось то, что они исключали «хороший вид» из окна. Тогда был найден компромисс, заключавшийся в размещении под потолком горизонтальных окон, которые через определенный интервал пересекались вертикальными окнами для визуального комфорта. Для того чтобы максимально обеспечить экономию энергии за счет использования естественного освещения, возникла необходимость установить систему автоматического управления освещенностью помещения. Для этого на потолке были установлены фотоэлектрические датчики, которые регулировали включение искусственного освещения в зависимости от интенсивности естественного освещения. Датчики были снабжены временными замедлителями для того, чтобы свет не включался или выключался постоянно при смене интенсивности естественного освещения в течение короткого времени, например при краткосрочном затенении солнечных лучей облаком. Устройство, выбранное для установки в федеральном здании Манчестера, имело временную задержку приблизительно в 30 секунд. Система климатизации Для сравнения эффективности систем климатизации в разных частях здания применялись различные системы. Было проведены исследования каждой системы, так чтобы в последствии можно было установить наиболее эффективную с точки зрения энергосбережения. Объем приточного наружного воздуха был выбран из расчета 10 м3/час на одного человека, вместо 42 м3/час на человека по нормам. Вместе с рециркуляционным воздухом объем воздухообмена составлял 84 м3/час на человека. Принятая величина приточного наружного воздуха обеспечивала уровень предельно допустимой концентрации углекислого газа и позволяла сэкономить энергию, расходуемую на подогрев наружного воздуха. Воздух идущий на рециркуляцию пропускался через фильтры активированного угля. Система вентиляции была запроектирована так, что при необходимости могла бы обеспечить подачу 100% наружного воздуха путем простого изменения положения заслонок, но за счет дополнительного потребления. На первом, втором и третьем этажах во внешних зонах (4,5 м внутрь здания от периметра) была установлена единая теплонасосная система закрытого цикла «вода-воздух» в каждой из восточной, западной и южной зон. Теплонасосные системы размещались в технических комнатах в северной части здания, с системой трубопроводов, отходящих от теплового насоса к «своей» зоне. Избыточная теплота от всех тепловых насосов, работающих в режиме охлаждения в рабочее время, аккумулировалась в один из трех резервуаров для хранения горячей воды объемом 38 м3, размещенных в подвале, для того, чтобы служить источником теплоты для насосов, работающих в режиме обогрева в ночное или нерабочее время, когда необходимо отопление. Данные резервуары могли использоваться для аккумуляции тепла солнечной радиации. С целью использования теплоты от освещения забор воздуха из помещений для системы отопления организован через воздуховоды, расположенные под потолком. Центральная система, обслуживающая этажи с пятого по седьмой, включала газогенератор, способный создавать аварийное питание для лифтов и необходимых в экстренных случаях электронных устройств. Генератор рассчитан на производство электроэнергии, необходимой для работы водоохладителя, а водооохладитель, в свою очередь, также оснащен стандартным источником питания и переключателем, который позволяет ему работать от электрической сети в случае, если происходит техническое обслуживание генератора или в случае выхода генератора из строя. Обычно водоохладитель работает от электрогенератора. Дополнительное охлаждение осуществляется посредством абсорбционного охладителя, работающего за счет утилизации теплоты от двигателя генератора или системы солнечных коллекторов. Абсорбционный охладитель обладает мощностью в 88 кВт (25 тонн холода в час), а мощность электрического охладителя составляет приблизительно 211 кВт (60 тонн холода в час). Электрический охладитель оборудован двухсекционным конденсатором и двухсекционным испарителем. Вода конденсатора из обоих охладителей подается по трубопроводу к одному из резервуаров, расположенных под землей и на башенный охладитель, расположенный на крыше. Теплота может аккумулироваться в обоих резервуарах, если имеется излишек теплоты, который необходимо сохранить. Когда резервуар достигает своей максимальной емкости или когда не нужно аккумулировать теплоту, конденсаторная вода охлаждается в градирне. Третий резервуар объемом 38 м3 расположен под землей для хранения охлажденной воды, которая может быть сохранена во время периода низкой потребности в ней и использована при пиковых нагрузках в течение дня. Таким образом, водоохладитель может работать с максимальной эффективностью вне зависимости от нагрузки. Здание «EKONO-house», Отаниеми, Финляндия Здание «EKONO-house» было построено в Отаниеми (Otaniemi) близ Хельсинки. Автором проекта стали инженеры фирмы, работавшие под руководством архитектора Хеймо Каутонена (Heimo Kautonen). Энергосберегающие решения были разработаны талантливым финским ученым Юхой Габриэльсоном (Juha Gabrielsson). Для выбора оптимальных энергосберегающих решений и расчета их параметров создатели здания «EKONO-house» использовали компьютерное моделирование, выполненное посредством программного пакета «DOE», разработанного американским министерством энергетики (US Department of Energy, DOE). Расчеты велись при помощи спутниковой связи и обошлись фирме «EKONO» в значительную сумму (около одного миллиона долларов). Основными инновационными энергосберегающими решениями здания «EKONO-house» были приняты: Эффективное использование внутреннего объема здания для минимизации площади ограждающих конструкций и уменьшения через них теплопотерь; Эффективная теплоизоляция ограждающих конструкций для уменьшения теплопотерь; Высокая теплоемкость ограждающих конструкций для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания; Аккумулирование тепла солнечной радиации в основании здания для снижения нагрузки на систему отопления; Применение вентилируемых окон для уменьшения теплопоступлений в летнее время и уменьшения теплопотерь в летнее время; Минимальные утечки воздуха (герметичность здания) и низкий расход наружного воздуха в системе вентиляции для снижения затрат энергии на отопление здания; Эффективное освещение для снижения затрат электрической энергии; Система автоматического управления оборудованием климатизации и освещением для оптимизации и учета потребления энергии. Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания «EKONO-house» составило 124 кВт∙ч/м2. Это на 50% ниже удельного теплопотребления административных зданий в Финляндии в то время. Подобные здания в США имели еще большее удельное теплопотребление. Ежегодное удельное электропотребление первой секции составило 79 кВт∙ч/м2, что также ниже электропотребления подобных зданий в Финляндии или США. Удельное теплопотребление второй секции здания «EKONOhouse» составляет 70 кВт∙ч/м2, удельное электропотребление – 57 кВт∙ч/м2, что составляет примерно одну треть от энергопотребления традиционных зданий подобного типа. Энергоэффективное высотное здание «Commerzbank», Франкфурт-на-Майне, Германия Здание «Commerzbank» во Франкфурте-на-Майне, строительство которого было завершено в мае 1997 года, является самым высоким зданием в Европе. Его высота составляет 259 метров, высота с антенной – 300 метров. Здание «Commerzbank» занимает 24 место в мире по высоте. Ни одно другое европейское здание не входит в список пятидесяти самых высоких небоскребов мира. Архитектурно-планировочная концепция Здание, разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером (Sir Norman Foster) и его студией «Sir Norman Foster and Partners» (Лондон), представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высотных зданий. Большинство высотных зданий построено по традиционной модели: полностью кондиционируемые помещения, практически полное отсутствие естественного освещения, центральная организация построения здания и идентичные этажи. Новое здание «Commerzbank» существенно отличается от этой схемы: в нем используется главным образом естественное освещение и естественная вентиляция, имеется атриум, проходящий от уровня земли до самого верхнего этажа, и из каждого офиса или части здания открывается вид на город. Спирально по всему зданию расположены зимние сады высотой в четыре этажа – они улучшают микроклимат и создают совершенно иную рабочую обстановку. Горизонтальная проекция здания представляет собой треугольник со скругленными вершинами и немного выпуклыми сторонами. Центральная часть здания, в которой обычно располагаются лифтовые шахты, занята огромным треугольным центральным атриумом, проходящим по всей высоте здания. Атриум является каналом естественной вентиляции для смежных офисных помещений здания. Каждый этаж имеет три крыла, двое из которых выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из четырехэтажных зимних садов. Четырехэтажные сады – «зеленые легкие» здания, размещенные по спирали вокруг треугольной формы здания, обеспечивают для каждого яруса вид на растительность и устраняют большие объемы неразделенного офисного пространства. Норман Фостер рассматривал растения как нечто большее, чем просто декорация. Эти великолепные сады являются фундаментальным элементом в его концепции. Девять зимних садов по спирали окаймляют все здание – три расположены с восточной стороны, три – с южной и еще три – с западной стороны. В ботаническом аспекте растения отражают географическую направленность: с восточной стороны – азиатская растительность; с южной стороны – средиземноморская растительность; с западной стороны – североамериканская растительность. Открытые пространства садов высотой в четыре этажа обеспечивают внутренние офисные помещения достаточным количеством дневного света. Кроме этого, данные сады могут быть использованы сотрудниками для общения и отдыха; они создают ощущение пространства, а также являются частью сложной системы естественной вентиляции. Лифты, лестничные марши и служебные помещения расположены в трех углах. Решетчатые балки, прикрепленные к колоннам, размещенным в трех углах здания, несут на себе каждый этаж и зимний сад. Такое решение позволило отказаться от колонн внутри здания и обеспечило конструкции дополнительную жесткость. Ограждающие конструкции здания и солнцезащитные устройства Для снижения затрат энергии на климатизацию здания, а также для организации естественной вентиляции светопрозрачные ограждения офисов здания сделаны двухслойными – практически уникальный прием в современном высотном строительстве. Внешняя оболочка (первый слой) имеет щелевые отверстия, через которые наружный воздух проникает в полости между слоями. Окна, в том числе и те, которые расположены на верхних этажах, могут быть открыты, что обеспечивает естественную вентиляцию непосредственно до уровня 50-го этажа. Окна, выходящие в атриум, также могут быть открыты. Снижение затрат энергии на отопление здания достигается использованием теплозащитного остекления с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4–1,6 Вт/(м2·°С). Кроме этого, первый слой играет роль защитной оболочки, уменьшающей конвективный тепловой поток, направленный наружу. Зимой в ночное время пространство между внешней и внутренней оболочками фасада герметизируется, образуя статичную воздушную прослойку, обладающую хорошими теплоизоляционными свойствами. Снижению затрат энергии на отопление способствуют и зимние сады, обеспечивающие дополнительные теплопоступления за счет аккумулирования тепла солнечной радиации. Снижение затрат энергии на охлаждение здания достигаются путем использования герметичных двойных стеклопакетов, заполненных инертным газом и отражающих инфракрасное излучение. Такие стеклопакеты используются в зимних садах, а также в ненесущих стенках по периметру офисных помещений. При этом солнцезащитные устройства устанавливаются между стеклопакетом и внешней светопрозрачной оболочкой здания. Аэродинамика и система естественной вентиляции здания Высотное здание разделяется по вертикали на четыре 12-этажных модуля, называемыми «деревнями». Каждый модуль имеет три четырехэтажных зимних сада, соединенных вертикально посредством центрального атриума. Сады и атриум связаны для повышения эффективности естественной вентиляции. Каждый модуль контролируется собственной независимой установкой климатизации. Через каждые 12 этажей на границах модулей атриум разделен горизонтально для выравнивания давления и защиты от распространения дыма. Сады, атриум и офисные помещения по периметру имеют открываемые окна. Вентиляция офисов в первую очередь осуществляется естественным образом, но в здании также имеются установки механической вентиляции и охлаждаемые перекрытия с замоноличенными трубопроводами. При разработке проекта вентиляции использовались методы компьютерного моделирования и аэродинамические исследования. Влияние ветрового напора на здание и воздушные потоки в атриуме исследовались в аэродинамической трубе, а результаты исследований использовались в ходе дальнейшего компьютерного моделирования. Выбор ориентации здания относительно преобладающего направления ветра позволил обеспечить достаточную естественную вентиляцию. Примерно в течение 2/3 всего года сотрудники банка могут регулировать уровень естественной вентиляции самостоятельно путем индивидуального открытия окон. Только при сложных погодных условиях система автоматического управления оборудованием климатизации задействует систему механической вентиляции. Благодаря такой схеме организации вентиляции энергопотребление в высотном здании «Commerzbank» на 30% ниже, чем в традиционных небоскребах таких же размеров. Вентиляция внутренних зон здания может осуществляться при помощи механической системы, обеспечивающей минимальную кратность воздухообмена для обеспечения комфортных параметров микроклимата. Регулирование температуры помещений осуществляется отопительными установками, расположенными по периметру здания, и охлаждаемыми перекрытиями с замоноличенными трубопроводами. Внутренний (выходящий в атриум) фасад оборудован наклонно-поворотными окнами со встроенными выходными демпферами (маленькими поворотными окнами) и имеет одинарное остекление. Наружный двойной фасад состоит из одинарного и многослойного остекления, обеспечивающего солнцезащиту. Наружный воздух попадает в верхнюю часть каждого помещения сквозь вентилируемые полости в фасаде и выходит через жалюзи рядом с поворотными окнами. В зимний период естественная вентиляция всех офисных помещений, расположенных по периметру здания, обеспечивает комфортные параметры микроклимата в помещениях, однако здесь необходимо обратить внимание на то, что механическая вентиляция позволяет обеспечивать комфортные параметры микроклимата при одновременной экономии энергии за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. Естественная вентиляция внутренних (смежных с зимним садом) офисных помещений эффективнее, чем вентиляция офисов, расположенных по периметру здания, поскольку внутренние офисные помещения расположены рядом с зимними садами. Зимние сады действуют как термальные буферные зоны, в которых прямая или рассеянная солнечная радиация помогает обогревать все помещение. В переходный период, когда наружная температура колеблется в пределах от +5°C до +15°C, механическая вентиляция не является необходимой из-за приемлемой температуры наружного воздуха. Открытие окон наклонно-поворотного типа имеет смысл, когда сила ветра умеренная. Такое открытие окон создает кратность воздухообмена в помещении 4–6 1/ч. При высокой скорости ветра и температуре ниже +15°C окна необходимо держать закрытыми, и следует использовать механическую систему вентиляции и дополнительный обогрев, а также, при необходимости, и увлажнение. Каждый находящийся в комнате может включить механическую вентиляцию и систему обогрева, а также открыть на определенное время окна для поступления свежего воздуха, вернувшись, таким образом, к системе естественной вентиляции. В ночное время в преддверии жаркого летнего дня теплоемкие части здания охлаждаются посредством прохладного наружного воздуха, в то время как охлаждаемые перекрытия с замоноличенными трубопроводами поглощают и высвобождают тепловую энергию. Оборудование приблизительно 50% площадей помещений охлаждаемыми перекрытиями обеспечивает достаточную теплоемкость для создания прохладных температур в помещениях на следующий день в диапазоне от 21°C (8:00 утра) до 28,5°C (18:00 вечера) без использования воздушного кондиционирования. Здание «Commerzbank» дополнительно оборудовано системами механической вентиляции для обеспечения требуемых параметров микроклимата. Уровень механической вентиляции и охлаждения может быть задан любым присутствующим в здании. Использование естественного освещения Использование естественного освещения значительно снижает эксплуатационные затраты, и, кроме этого, улучшает психологический комфорт людей находящихся в здании. Каждое офисное помещение в здании «Commerzbank» расположено в соответствии с требованиями Германского строительного стандарта, который требует, чтобы все сотрудники размещались не далее чем 7,5 метров от окон. Прозрачность здания и стеклянные перегородки между офисными помещениями и коридорами позволяют достичь высокого уровня освещенности дневным светом на всех рабочих местах. На каждом этаже одна из треугольных секций здания является открытой и составляет часть зимнего сада. Такая конструкция позволяет каждому офису либо иметь вид на город, либо иметь вид на атриум и сад. Район VIIKKI (Хельсинки, Финляндия) – новый взгляд на энергосбережение и экологию Район VIIKKI представляет из себя экологически чистую территорию сельского типа площадью 1132 га, которая частично использовалась для научных экспериментальных целей Технологическим Университетом Хельсинки. Строительство демонстрационного энергоэффективного района EKOVIIKKI осуществлялась в соответствии с программой Европейского сообщества Thermie, которое включает в себя девять различных европейских экспериментальных проектов. Руководство финским проектом было возложено на Технологический университет г. Хельсинки. Инициаторы проекта пришли к выводу, что сохранение энергии не легко продать клиенту. Обычно сохранение энергии требует дополнительных затрат. Но даже если эти затраты окупятся в 10летний период, это кажется слишком много. Поэтому к новому экспериментальному жилому району VIIKKI применили новый подход: речь идет не только об экономии энергии, но и об экологическом и социальном аспектах, о долговременности строительства, его влиянии на окружающую среду, то есть о так называемом жизнеподдерживающем (sustainable) строительстве. Целью строительства демонстрационного жилого района VIIKKI являлось выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами. Проектированию района предшествовал конкурс. Городским советом Хельсинки были разработаны социальные, экологические и энергетические требования, которым должны отвечать проекты: 1. Социальные требования: создание городской архитектуры, обеспечивающей высокое качество среды обитания людей; сохранение окружающей среды; создание разнообразных функциональных особенностей жизнедеятельности района; экономичность при поддержании жизненного цикла. 2. Экологические и энергетические требования: Отказ от использования технологических процессов и источников энергии, загрязняющих окружающую среду; Сокращение использования природного топлива; Увеличение объема использования возобновляемых источников энергии; Повышение качества микроклимата помещений; Утилизация тепла и повторное использование водных ресурсов. Энергоснабжение района обеспечивается комбинацией районного тепло- и электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. Система теплоснабжения жилого района VIIKKI включает в себя крупнейшую в Финляндии установку по использованию солнечной энергии. При разработке этого проекта были использованы новейшие концепции использования солнечной энергии и интеграции солнечных систем в здание. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1248 м2. Эти солнечные нагревательные системы обеспечивают централизованное теплоснабжение и в некоторых случаях производят также обогрев помещений при помощи систем подогрева пола. В жилом районе VIIKKI демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельное использование систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (с размером блока коллектора 10 м2). Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома. Эти коллекторы установлены под углом 47–60°. Такие углы оптимальны, так как они соответствуют наклону солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии. При проектировании систем отопления и вентиляции жилых домов были применены следующие технические решения, повышающие их энергетическую эффективность: Использование тепла обратной воды системы теплоснабжения для напольного отопления; Утилизация тепла удаляемого воздуха; Индивидуальная механическая вентиляция с рекуперацией тепла раздельно для каждого жилого помещения; Повышение эффективности систем естественной вентиляции за счет специальной конструкции дефлекторов; Вентиляция помещений при помощи предварительного подогрева наружного воздуха, подаваемого через окна или остекленные балконы; Использование низкотемпературных отопительных систем; Использование солнечных коллекторов, подключенных к магистралям горячей воды; Использование счетчиков тепла и индивидуальный контроль температуры в каждой квартире. В соответствии с повышенными требованиями к теплозащите ограждающие конструкции были выполнены из энергосберегающих материалов с эффективной теплоизоляцией. Наружные стены выполнены из изготовленных в заводских условиях деревянных элементов, слоистая фасадная облицовка с использованием бумаги, изготовленной из бумажных отходов. Конструкция пола представляет собой комбинацию системы напольного отопления с сохраняющим тепло бетонным основанием. Энергоэффективное демонстрационное многоэтажное жилое здание в Москве Целью проекта энергоэффективного здания являлось создание, натурная апробация и последующее внедрение в жилищное строительство города новейших технологий и оборудования, обеспечивающих, как минимум, двукратное снижение энергозатрат на эксплуатацию жилого фонда. Базовой серией для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 111-355.МО. Эта серия наиболее полно отвечает требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений и по своим энергосберегающим показателям является наиболее перспективным для жилищного строительства. Типовой проект серии 111-355.МО разработан 53 Центральным проектным институтом Министерства Обороны России и согласован в установленном порядке для массового строительства на территории Российской Федерации. При выборе энергоэффективных мероприятий, использованных при проектировании и строительстве многоэтажного жилого дома в Никулино-2, разработчики руководствовались следующими основополагающими научными предпосылками: 1. Энергосберегающая политика XXI века будет основана на применении технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии; 2. Здание является единой энергетической системой, все элементы которой – ограждающие конструкции, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, теплоэнергоснабжения – взаимосвязаны, в связи с чем проект энергоэффективного здания не может быть представлен простым суммированием ряда энергосберегающих решений, но должен быть результатом выбора научными методами технических решений, наилучшим образом отвечающих поставленной цели обеспечения энергосбережения при одновременном повышении качества микроклимата; 3. Приоритетность при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений. Участники проекта Проект «Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» был реализован в 19982002 гг. Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, НП «АВОК» и ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в рамках «Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве», утвержденной совместным постановлением Правительства Москвы и Миннауки РФ № 36РП-6 от 15 января 1998 года. Участники проекта: головная научная организация – Ассоциация «НП АВОК»; головная организация по инновационному инженерному оборудованию – ОАО «ИНСОЛАРИНВЕСТ»; генеральный проектировщик –53 ЦПИ МО РФ; генеральный подрядчик по инновационной части проекта – ЗАО «Прим Экострой»; оперативное руководство проектом – ЦОПУ КС МО РФ. Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю.А. Табунщикова и под общим руководством доктора технических наук, генерал–лейтенанта В.Ф. Аистова. Со стороны Правительства Москвы проект курировали Комплекс архитектуры, строительства, развития и реконструкции города и Управление топливно-энергетического хозяйства города. Энергоэффективные мероприятия, использованные при проектировании и строительстве многоэтажного жилого дома Теплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и утилизацию тепла удаляемого вентиляционного воздуха; Система вентиляции с механической вытяжкой и естественным притоком через авторегулируемые воздухозаборные устройства в оконных переплетах, обеспечивающая нормативный воздухообмен при установке герметичных окон; Утилизация теплоты удаляемого вентиляционного воздуха; Система отопления двухтрубная горизонтальная поквартирная с теплосчетчиком, установленным на лестничной площадке, с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях; Наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой. Теплоэнергоснабжение здания Теплоэнергоснабжение здания в Никулино-2 осуществляется от двух источников: Тепловые насосы, использующие тепло земли и тепло удаляемого воздуха для горячего водоснабжения; Внешний источник тепловой и электрической энергии (централизованное теплоснабжение и энергосистема города). В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение. Преимущества технологий, использующих тепловые насосы, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. В России, в рамках описываемого проекта, фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод, однако в данном проекте эта возможность не была реализована. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы: парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ); баки-аккумуляторы горячей воды; системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха; циркуляционные насосы, контрольно-измерительная аппаратура. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. При устройстве в грунте вертикальных или горизонтальных регистров труб (системы сбора низкопотенциального тепла грунта) с циркулирующим по ним теплоносителем, имеющим пониженную относительно окружающего грунтового массива температуру, происходит отбор тепловой энергии от грунта и отвод ее в испаритель теплонасосной установки. В данном здании система сбора низкопотенциального тепла грунта представляет собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома. Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды. Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами. Наружные ограждающие конструкции Наружные ограждающие конструкции – 3-слойные железобетонные панели толщиной 350 и 400 мм на дискретных связях (ДС). Наружный слой толщиной 80 мм из тяжелого бетона =2400 кг/м3; внутренний слой из тяжелого бетона =2400 кг/м3, слой утеплителя толщиной 150 мм из полистирольного пенопласта ПСБ-35 (25) ГОСТ 15588-86*. Значения приведенного сопротивления теплопередаче элементов здания Основные элементы здания Стены Окна и балконные двери Покрытия и чердачные перекрытия Перекрытия над подвалами и подпольями Перекрытия над проездами и под эркерами Приведенное сопротивление теплопередаче, м2 °С/Вт 3,28 0,60 4,39 4,27 1,63 Система отопления В здании установлена поквартирная двухтрубная горизонтальная система водяного отопления с теплосчетчиком, установленным на кухне, и с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе. Эта система обеспечивает возможность поквартирного учета тепловой энергии и возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях без изменения теплового режима соседних помещений. Отопительные приборы – конвекторы, расположенные в подоконном пространстве. Регулирование теплоотдачи отопительных приборов осуществляется терморегуляторами фирмы «Danfoss», установленными на конвекторах. Учет расхода тепловой энергии на отопление – общий на здание и поквартирный. Для организации поквартирного учета тепла обеспечен один ввод в квартиру подающего и обратного трубопроводов и к ним присоединены все отопительные приборы, размещенные в квартире. Возможны две схемы поквартирного отопления: «лучевая» и «периметральная». Лучевая схема реализуется с помощью металлополимерных или полимерных труб, укладываемых в стяжку «чистого» пола. Каждый отопительный прибор присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифолдам) и регулируется автономно. В периметральной схеме, которая и использована в данном здании, отопительные приборы гидравлически более зависимы, но эта схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью. При этой схеме трубы укладываются в лотках и могут обслуживаться. В этом случае могут быть использованы не только металлополимерные (полимерные) трубы, но и обыкновенные стальные. Независимость развязки трубопроводов от других квартир предполагает возможность индивидуального проектирования отопления каждой квартиры. Поквартирные вводы могут объединяются коллекторами на лестничной площадке в приборном щите с поквартирными счетчиками тепла. В этом случае приборные щиты всех этажей объединяются подающим и обратным стояками системы отопления, связанными через домовой узел учета тепла с теплосетью. В рассматриваемом здании использован другой способ организации поквартирного учета тепла. Отопительные приборы каждой квартиры присоединены к подающему и обратному стоякам через поквартирный счетчик тепла, расположенный на кухне. Всего квартиры обслуживаются четырьмя подающими и четырьмя обратными стояками (по числу квартир). Дополнительные стояки обслуживают лестничные клетки и лифтовой холл. Система вентиляции Использование при строительстве здания окон с высокими теплозащитными характеристиками и низкой воздухопроницаемостью, увеличившими герметичность здания, потребовали оборудования здания системой механической вентиляции. Система механической вентиляции, в отличие от естественной, обеспечивает гарантированный воздухообмен в помещениях при любых погодных условиях, а повышенные энергозатраты, связанные с работой вентиляторов, компенсируются за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. В здании применена механическая вытяжная система вентиляции с естественным притоком через воздухозаборные устройства и утилизацией теплоты удаляемого вентиляционного воздуха при помощи теплонасосных установок. Для обеспечения поступления в помещение наружного воздуха, по объему соответствующего количеству удаляемого, используются приточные устройства, встроенные в оконные коробки квартир (кроме кухни). Во избежание проникновения дождя в помещение с наружной стороны окна установлен козырек. Отработанный воздух удаляется из квартир через авторегулируемые клапаны, установленные на кухнях, в ванных комнатах и в туалетах. Авторегулируемые клапаны обеспечивают прохождение через них постоянного расчетного расхода воздуха. При увеличении перепада давлений между квартирой и вентиляционной шахтой сопротивление клапана проходящему через него воздушному потоку увеличивается и, соответственно, количество удаляемого из квартиры «отработанного» воздуха уменьшается. При уменьшении перепада давлений между квартирой и вентиляционной шахтой, ситуация обратная – количество удаляемого из квартиры «отработанного» воздуха увеличивается. Конструкция клапана достаточно проста: изменение сопротивления клапана проходящему через него воздушному потоку обеспечивается автоматически за счет изменения объема находящейся в потоке удаляемого воздуха резиновой камеры, во внутреннюю полость которой имеет доступ воздух из квартиры. При изменении перепада давлений между квартирой и вентиляционной шахтой, соответственно изменяется и объем резиновой камеры, уменьшая или увеличивая проходное сечение клапана. Для утилизации тепла удаляемого воздуха в вытяжной камере предусмотрен теплообменникутилизатор, связанный с испарителями теплонасосных установок промежуточным контуром. Удаляемый воздух вытяжным вентилятором «прогоняется» через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Тепло удаляемого воздуха используется тепловым насосом для подготовки горячего водоснабжения. Полезное тепло собирается в баках-аккумуляторах, откуда по мере необходимости используется в системе горячего водоснабжения. Горячее водоснабжение Система горячего водоснабжения дома – аккумуляционная, теплонасосная. Вода для горячего водоснабжения приготавливается при помощи тепловых насосов, работающих на использовании тепла земли и тепла удаляемого вентиляционного воздуха. Система горячего водоснабжения предусматривает два температурных уровня аккумуляции горячей воды. Первый «низкотемпературный» уровень аккумуляции обеспечивается тепловыми насосами, второй « высокотемпературный» уровень аккумуляции – обеспечивается ТЭНами, работающими в ночное время суток. Ориентировочная экономическая оценка энергосберегающих мероприятий № п/п 1 Мероприятия Дополнительные капитальные затраты, USD/м2 Ограждающие конструкции с повышенными 1,03 теплозащитными свойствами 2 Окна со стеклопакетами с мягким селективным 2,82 напылением 3 Остекление лоджий 4,77 4 Радиаторные термостаты и учет теплопотребления 4,79 5 Утилизация теплоты вытяжного воздуха, сточных вод с 6,7 помощью теплового насоса Всего: 20,17 Укрупненная экономическая оценка энергосберегающих технологий в отоплении и вентиляции в г. Москве № п/п Базовая технология / энергосберегающая технология Удельные капитальные затраты, USD/м2 * 7–8/9–11 Удельные эксплуатационные затраты, USD/м2 в год * 1,1–1,3/0,8–0,1 Двухтрубная вертикальная нерегулируемая система отопления / Горизонтальная поквартирная регулируемая система отопления с термостатами 2 Вентиляция с естественным притоком и 1,5–2/8–10 1,8–2,0/0,3–0,5 механической вытяжкой / Поквартирная механическая вентиляция с утилизацией тепла * в числителе цифры относятся к базовой технологии, в знаменателе – к энергосберегающей 1 Срок окупаемости , лет 6–10 6–8 Научные основы проектирования энергоэффективных зданий Методология системного анализа Проблема принятия решения при проектировании системы климатизации и теплозащиты здания, то есть выбор одной из возможных альтернатив, является сложной ввиду многообразия факторов, влияющих на этот выбор. Каждый вариант решения обладает какими-то преимуществами и какими-то недостатками, причем в силу многообразия факторов не сразу ясно, какой из вариантов лучше (предпочтительнее) других и почему. Как правило, у специалистов возникают сомнения в том, что принятое решение является наилучшим. В этом случае возникает необходимость в наличии научного метода, позволяющего вести поиск «наилучшего решения». Чем сложнее, дороже и масштабнее проектируемый объект, тем большую опасность представляют «волевые» решения и тем важнее становятся научные методы, позволяющие заранее оценить последствия каждого решения, заранее отбросить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные. Слишком опасно в таких случаях опираться на свою интуицию, на «опыт и здравый смысл» и даже на наиболее распространенный в наше время метод поиска наилучшего решения, так называемый «метод проб и ошибок». В наше время техника и технология меняются настолько быстро, что «опыт» просто не успевает накапливаться, а «здравый смысл» легко может обмануть, если не опирается на научный метод поиска наилучшего решения. В современной науке методом поиска наилучшего решения является «системный анализ» – это дисциплина, занимающаяся проблемами принятия решения в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы [2, 3]. Истоки системного анализа, его методических концепций лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений – теории исследования операций и общей теории управления. Таким образом, в нашем случае системный анализ – это совокупность методов и принципов выбора технических параметров системы климатизации и теплозащиты здания, наилучшим образом отвечающих достижению цели, ради которой создается эта система. Методология системного анализа (методология «принятия решения») включает в себя следующие три этапа: 1. Системный подход к объекту как к части другой более обширной системы, установление связей между его элементами и описание этих связей на языке математики, то есть построение математической модели изучаемого явления или объекта. 2. Анализ ограничений и формулировка целевой функции. На этом этапе задача принятия решения трактуется как некоторая оптимизационная проблема. Оптимальными здесь называют решения, которые по тем или иным признакам предпочтительнее других. 3. Решение полученной оптимизационной задачи. Иногда (относительно редко) в результате решения удается указать одно единственное строго оптимальное решение, гораздо чаще – выделить области практически равноценных «наилучших решений», в пределах которых может быть сделан окончательный выбор. Заметим, что «принятие решения» выходит за рамки исследований и относится к компетенции ответственного лица, чаще – группы лиц, которым дано право окончательного выбора и которые при выборе учитывают также другие обстоятельства и факторы. Хотя системный подход уже проявил свои большие возможности, его нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил, применение которых позволяет автоматически получить решение сложной задачи. Анализ каждой сложной системы – это уникальная проблема, требующая не только разносторонней культуры, но и изобретательности и таланта – это творческий процесс. Любое руководство – это всего лишь помощник. Математическая модель и целевая функция для энергоэффективного здания В соответствии с методологией системного анализа математическую модель теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных моделей, более удобных для изучения [1, 4, 5]: математической модели теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание; математической модели теплоаккумуляционных характеристик оболочки здания; математической модели теплоэнергетического баланса помещений здания. Подробное описание математических моделей отдельных элементов здания и здания как единой энергетической системы дано в [1, 4, 5]. Оптимизационная задача для энергоэффективного здания имеет следующее содержание: определить показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии на создание микроклимата в помещениях здания. В обобщенном математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать так: Qmin F ai где Qmin – минимальный расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания; a i – показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии. При реальном проектировании энергоэффективное здание в большинстве случаев не будет реализовано из-за ряда ограничений, вытекающих из конкретной строительной ситуации или из-за ряда соображений количественного или качественного характера, которые не были учтены при математическом моделировании. В этом случае целесообразно ввести показатель, характеризующий степень отличия реализованного решения от оптимального. В других случаях этот же показатель может служить критерием оценки искусства проектировщика. Назовем эту величину «показателем теплоэнергетической эффективности проектного решения» и обозначим h, так что по определению h где Qэф Qпр Qэф – расход энергии на создание микроклимата в помещениях энергоэффективного здания; Qпр – расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания, принятого к проектированию. С учетом принятого разделения математической модели теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы на три взаимосвязанных подмодели можно записать h h1 h2 h3 , где h1 – показатель теплоэнергетической эффективности оптимального учета воздействия наружного климата на здание; h2 – показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора тепло- и солнцезащитных характеристик наружных ограждающих конструкций; h3 – показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора систем обеспечения микроклимата. Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора формы здания (для зданий прямоугольной формы принимаются в расчет такие параметры, как его размеры и ориентация), расположения и площадей заполнения световых проемов, регулирования фильтрационных потоков. Например, удачный выбор ориентации и размеров здания прямоугольной формы дает возможность в теплый период года уменьшить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и, следовательно, снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период – увеличить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и уменьшить затраты на отопление. Аналогичные результаты будут получены при удачном выборе ориентации и размеров здания по отношению к воздействию ветра на его тепловой баланс. Методология проектирования систем отопления, вентиляции, кондиционирования основана на расчетах тепловых и воздушных балансов здания для характерных периодов года. Например, для России этими периодами года являются: наиболее холодная пятидневка, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения, расчетный год. В этом случае оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора его формы и ориентации даст следующие результаты: для наиболее холодной пятидневки - снижение установочной мощности системы отопления; для отопительного периода - снижение затрат теплоты на отопление; для самого жаркого месяца - снижение установочной мощности системы кондиционирования воздуха; для периода охлаждения - снижение затрат энергии на охлаждение здания; для расчетного года - снижение затрат энергии на обогрев и охлаждение здания. В общем случае оптимизировать теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно для любого характерного периода времени. Важно отметить следующее: изменение формы здания или его размеров и ориентации с целью оптимизации влияния наружного климата на его тепловой баланс не требует изменения площадей или объема здания - они сохраняются фиксированными. Решение задачи по выбору оптимальной формы здания приведено в [8], а решение задачи по выбору оптимальных размеров и ориентации здания прямоугольной формы, а также значения показателя тепловой эффективности проектного решения приведены в [9]. Автором были проведены исследования влияния теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора оптимальных значений его размеров и ориентации. Расчеты проводились для климатических условий Москвы (560 с. ш.) и Ростова-на-Дону (480 с. ш.). Исходная ориентация принималась широтной, меридиональной и диагональной. В качестве объекта исследований принималось здание прямоугольной в плане формы, общей полезной площадью 1440 м2. В качестве целевой функции принята минимизация затрат энергии на обогрев здания в холодный период или на охлаждение здания в теплый период. Цель исследований – выявить, как количественно увеличивается показатель теплоэнергетической эффективности здания за счет оптимального учета воздействия наружного климата на тепловой баланс здания. Результаты исследований приведены в таблице. Период расчета Холодная пятидневка Отопительный период Период охлаждения Самый теплый месяц Повышение теплоэнергетической эффективности, % Москва Ростов-на-Дону 7 8 12 15 22 25 15 18 Оптимизация теплозащиты наружных ограждающих конструкций Наружные ограждающие конструкции делятся на светонепроницаемые (стены, покрытия, перекрытия) и светопроницаемые (заполнения световых проемов) с солнцезащитными устройствами. Задача определения оптимальных теплотехнических показателей наружных ограждающих конструкций формулируется в зависимости от совокупности требований, которые к ним предъявляются. Например, могут иметь место следующие формулировки: 1. Для зданий с «прерывистым» режимом отопления: «Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при нормативном значении сопротивления теплопередаче обеспечивают минимальный расход энергии в период “натопа” помещения». 2. Для зданий, расположенных в сейсмически опасных районах: «Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при заданной толщине (или весе) конструкции обеспечивают наибольшее сопротивление теплопередаче и наибольшее сквозное затухание наружных тепловых воздействий». 3. Для зданий, расположенных в теплом (жарком) климате: «Определить геометрические параметры солнцезащитных устройств, которые в холодный период года обеспечивают максимальное поступление солнечной радиации в помещение, а в теплый (жаркий) период – минимальные поступления солнечной радиации». В традиционном понимании оптимизация теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий – это метод вычисления толщины теплоизоляции конструкции «по минимуму приведенных затрат». Математическая модель приведенных затрат в общем случае включает в себя два показателя: затраты на производство конструкций (единовременные затраты) и затраты на их использование (эксплуатационные затраты). Расчет теплоизоляции "по минимуму приведенных затрат" является объективным методом, признанным во всем мире, но содержит в своей сущности скрытую опасность, отражающую объективную реальность существующей в стране экономической ситуации, которая может явиться непреодолимым препятствием реализации метода на практике. Это связано с использованием в методе показателей стоимости энергии и материалов. Многим специалистам памятна история со СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника», который был разработан по заданию высших правительственных органов с целью существенного ужесточения требований к экономии топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации зданий. Ожидалось, что главным достоинством этого документа явится введение в него метода приведенных затрат для выбора оптимальной теплозащиты ограждающих конструкций. При этом теплозащита ограждающих конструкций, включая заполнение световых проемов, должна была приниматься как наибольшая из двух величин, определяемых по санитарно-гигиеническим условиям и по минимуму приведенных затрат. Безусловно, предполагалось, что метод приведенных затрат даст большее значение теплозащиты, и это явится решением проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов. Но... экономическая реальность складывалась таким образом, что энергия стоила дешевле газированной воды, и проектировщики при расчетах получили, что теплозащита по санитарногигиеническим требованиям превосходит величину, определенную по минимуму приведенных затрат. В строительном комплексе сложилась драматическая ситуация, которая усугублялась тем обстоятельством, что нельзя было выявить виновных. Метод был выбран правильно, но нельзя же было признать, что экономика социализма несостоятельна! Сегодня использование метода приведенных затрат сталкивается с другой, пока непреодолимой трудностью. Отсутствуют надежные, прогнозируемые на ближайшие 20-30 лет показатели стоимости энергии и материалов. Возможность решения проблемы теплоэнергетической оптимизации ограждающих конструкций в ее современном понимании и современными методами показана в ряде работ [4, 5, 7]. Современное понимание означает, что будет достигнуто решение, которое с учетом принятых ограничений является наиболее предпочтительным. Современные методы – это методы исследования операций. Рассмотрим это более подробно. К наружным ограждающим конструкциям предъявляется в общем случае достаточно большое количество требований. Высокий уровень теплозащиты в холодный период в условиях теплопередачи, близкой к стационарному режиму, высокий уровень теплоустойчивости в теплый и холодный периоды в условиях теплопередачи, близкой к периодическому режиму, низкая энергоемкость внутренних слоев при колебаниях теплового потока внутри помещения, высокая степень воздухонепроницаемости, низкая влагоемкость и т.д. и т.п. Безусловно, при проектировании стремятся удовлетворить, в первую очередь, главным требованиям. Практика показывает, что количество таких требований, как правило, не более двух. В первую очередь, это теплозащита и теплоустойчивость. Здесь открываются большие возможности для оптимизации. Сущность ее состоит в том, что надо сконструировать методом исследования операций ограждающую конструкцию, которая оптимальным образом удовлетворяла бы требуемым (нормативным) значениям теплозащиты и теплоустойчивости. В [7] решена задача определения оптимального расположения слоев материалов в многослойной ограждающей конструкции. Дано подробное решение задачи и показано, что в зависимости от порядка расположения слоев материала величина теплоустойчивости конструкции может меняться в три раза. В [4] решена задача подбора материала для многослойной ограждающей конструкции заданной фиксированной толщины, обеспечивающей наибольшее затухание наружных тепловых воздействий. Получено решение: наибольшее затухание обеспечивает материал, имеющий меньшую теплопроводность и большую объемную теплоемкость. Следствие решения: для районов с жарким климатом целесообразно выбирать конструкцию с меньшими значениями теплопроводности материалов, а для районов с холодным климатом – с большими значениями коэффициентов теплоусвоения материалов. В [5] решена задача определения предельных значений теплозащиты наружных ограждающих конструкций помещения при заданном значении солнцезащиты окон и заданной кратности воздухообмена. Помещение не оборудовано установкой кондиционирования. В результате решения получены следующие интересные выводы: теплозащита ограждающих конструкций не влияет на температурный режим помещения при определенных значениях солнцезащиты окон и кратности воздухообмена; увеличение теплозащиты наружных ограждающих конструкций приводит к ухудшению теплового режима помещения, если теплозащита окон недостаточна и кратность воздухообмена невелика. Последний результат требует особой внимательности от проектировщиков, которые используют наружные ограждающие конструкции с эффективной теплоизоляцией для зданий, проектируемых для строительства в теплом климате. В [4] содержится ряд интересных решений по оптимизации теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий с кондиционированием воздуха, для окон с теплоотражающей пленкой, для зданий с периодическим отоплением и т.д. Система климатизации здания Система климатизации представляет собой совокупность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха; возможны различные сочетания этих систем. Обоснованием выбора типа (вида) системы климатизации здания имеет своей целью минимизировать затраты энергии на создание требуемого (нормативного) теплового режима. Выбор типа (вида) системы климатизации есть результат решения «задачи оптимального управления»: найти такое управление расходом энергии Q , затрачиваемой на теплоснабжение здания (помещения), которое удовлетворяет уравнению теплового баланса помещения с соответствующими ограничениями и для которого выполняется условие Q d min . Управление, дающее решение поставленной задачи, называется оптимальным управлением. Решение «задачи оптимального управления» определяет оптимальную раздачу энергии по помещению и оптимальное управление расходом энергии на климатизацию здания. По этим двум показателям проектировщик подбирает тип (вид) системы климатизации здания (помещения). Расход теплоты Q , затрачиваемой на теплоснабжение здания (помещения), может быть определен на основе решения уравнения теплового баланса внутреннего воздуха: Q Qi Qinf Qeq Qin i где Qi – теплота, затрачиваемая на нагрев ограждающих конструкций (тепловые потоки между i внутренним воздухом и внутренними поверхностями ограждающих конструкций); Qinf – теплота, теряемая за счет инфильтрации и воздухообмена; Qeq – теплота, затрачиваемая на нагрев оборудования, расположенного внутри помещения; Qin – теплота, затрачиваемая на нагрев внутреннего воздуха. Для большинства жилых и общественных зданий, в которых нормируется температура внутреннего воздуха и внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, а также допускается использование «прерывистого» режима отопления, справедливыми являются следующие рекомендации по оптимизации раздачи энергии в помещение и оптимальному управлению его расходом: Нагрев внутреннего воздуха и внутренних поверхностей ограждений осуществлять независимо; Начинать «натоп» с разогрева теплоемких ограждающих конструкций; Использовать такие способы распределения теплоты по помещению, чтобы минимизировать время разогрева теплоемких ограждающих конструкций; Использовать всю имеющуюся в резерве установочную мощность системы отопления. Энергоэффективное здание как критерий оценки мастерства архитектора и инженера При проектировании здания архитектор решает задачу наилучшим образом использовать положительное и максимально нейтрализовать отрицательное воздействие наружного климата на тепловой баланс здания. В это же время инженер решает задачу организации такой системы климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечивает требуемые параметры микроклимата в помещениях. Возникает естественный вопрос: насколько удачно архитектору и инженеру удалось решить свои задачи по проектированию энергоэффективного здания? Только качественная оценка результата вряд ли удовлетворит строгого заказчика: он пожелает иметь объективную количественную характеристику достигнутого результата. В качестве таковой ему будет предложена, например, удельная тепловая характеристика здания, отнесенная к одному из расчетных климатических периодов. Этот показатель позволяет сравнить достигнутый результат с уже существующим, но не дает ответа на вопрос, можно ли было запроектировать энергоэффективное здание лучше и насколько лучше. Очевидно, что лучшим результатом работы архитектора и инженера является оптимальное энергоэффективное здание, обеспечивающее минимум расхода энергии в системах его климатизации. Современные методы математического системного анализа позволяют находить оптимальные архитектурные и инженерные решения проектируемого энергоэффективного здания. При проектировании здания можно выделять архитектурные и инженерные решения: Архитектурные решения Инженерные решения 1. Выбор местоположения здания с учетом 1. Выбор источников теплоснабжения, в том климатических особенностей, рельефа местности числе возможность использования и существующей застройки в районе нетрадиционных источников энергии – предполагаемого строительства солнечных, геотермальных, ветровых и т.д. 2. Общая архитектурно-планировочная концепция здания 2. Выбор системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха здания 3. Определение формы и ориентации здания 3. Выбор конструкции и материалов 4. Выбор остекления здания (площади и наружных ограждений расположения светопроемов) и солнцезащиты 4. Выбор системы автоматического 5. Выбор конструкции и материалов наружной (автоматизированного) управления облицовки инженерным оборудованием здания 6. Выбор объемно-планировочных решений здания (внутренней планировки) 7. Выбор схемы организации освещения Будем характеризовать энергетическую эффективность здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями величиной затрат энергии на его климатизацию и обозначим эту величину Wmin . Об уровне мастерства архитектора и инженера с точки зрения энергоэффективности здания можно Wmin , которое показывает, насколько представленное решение W здания отличается от оптимального. Здесь Wmin – затраты энергии на климатизацию здания с судить, используя соотношение η оптимальными архитектурными и инженерными решениями, W – затраты энергии на климатизацию представленного проектного решения здания. Очевидно, что этот критерий удовлетворит требовательного заказчика, так как позволит ему судить, насколько удачно он выбрал исполнителей – архитектора и инженера, и насколько разумно они учли его желание – минимизировать эксплуатационные затраты на климатизацию здания. Величина η изменяется в пределах от 0 до 1. Чем ближе величина η к 1, тем ближе выбранные архитектурные и инженерные решения к оптимальным решениям и тем выше мастерство архитектора и инженера. В соответствии с системным подходом к проектированию энергоэффективного здания величину η можно записать так: η η Aη E где ηA A Qmin Q ηE E Qmin Q A – затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями; Qmin E – затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными инженерными решениями. Qmin Теперь η A можно трактовать как показатель мастерства архитектора, а η E – как показатель мастерства инженера. Литература 1. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. 2. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. – М.: Наука, 1981. 3. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. – М.:Наука, 1988. 4. Табунщиков Ю.А. Основы математического моделирования теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы. Докторская диссертация. – М.: НИИСФ, 1983. 5. Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю., Матросов Ю.А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1986. 6. Tabunschikov Y. Mathematical models of thermal conditions in buildings – CRC Press, USA 1993. 7. Jurobic S.A. An investigation of the minimization of building energy load through optimization techniques – Los Angeles scientific center, IMB Corporation, Los Angeles, California. 8. Бродач М.М. Изопериметрическая оптимизация солнечной энергоактивности зданий. Гелиотехника 2, Ташкент, 1990. 9. Бродач М.М. Энергетический паспорт зданий – АВОК, 1993, № 1/2. 10. Klaus Daniels. The Technology of Ecological Building – Birkhauser-Verlag fur Arhitektur, Basel, 1997. 11. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Теплоэнергетические нормативы для теплозащиты зданий. – АВОК, 2001, №4.
