- ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И АРХИТЕКТУРНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ЗДАНИЙ
Η. П. Селиванов
- Архитектурно-строительные приемы повышения энергетической экономичности зданий
Отличительная особенность энергоактивных зданий любого типа заключается в том, что их конструкции наделены способностью улавливать, преобразовывать и передавать во внутреннюю или внешнюю энергосистему энергию возобновляемых источников: солнечную, ветровую, гидро- и геотермальную, биохимическую и другие виды энергии [1, 2].
Общие принципы и архитектурно-строительные приемы разработки энергоактивных зданий формулируются исходя из требований, которые определяются основным функциональным назначением здания и стремлением к повышению энергетической экономичности и экологического комфорта Принцип полифункциональности проектирования конструкций воплощается через конструктивный или функциональный признаки. В первом случае конструктивные элементы здания совмещают с конструктивными элементами энергетической установки, предназначенной для использования соответствующего возобновляемого источника. Во втором случае наделяют тот или иной конструктивный элемент здания, целое здание или группу зданий дополнительными энергетическими функциями, например используя здание или его часть в качестве затеняющего или направленно отражающего солнечную энергию экрана либо диффузора ветроэнергетической установки.
Конструктивный и функциональный признаки могут быть совмещены в одном техническом решении, взаимно дополняя и усиливая эффект энергетической активности. Например, стену снабжают долговечной облицовкой в виде селективно пропускающих и определенным образом пространственно ориентированных стеклянных или стеклокристаллических плиток с отражающей подложкой из слоя металла (конструктивный признак), ограждению в целом или его части придают дополнительную функцию направленного отражателя (функциональный признак), экономично решая при этом архитектурно-строительные и гелиотехнические задачи.
Наибольший эффект повышения энергетической экономичности здания достигается в том случае, если задача решается комплексно всеми доступными средствами на каждом этапе проектирования с обязательной реализацией их в процессе эксплуатации. При этом можно выделить три направления повышения энергетической экономичности зданий:
сокращение энергетических затрат на термостатирование и обеспечение других форм экологического комфорта путем применения улучшенных технических решений в проектируемом здании;
использование в энергетическом балансе здания энергии возобновляемых источников в пределах собственных энергоресурсов, которыми располагает здание в силовом поле данного источника;
освоение и вовлечение в энергетический баланс здания дополнительных резервов энергии возобновляемого источника из окрестных зон атмо-, гидро- и литосферы, примыкающих к зданию.
Конкретные, адекватные каждому возобновляемому источнику энергии приемы проектирования как градостроительного, так и архитектурно-конструктивного плана будут рассмотрены ниже в пп. 2.2—2.5, а общее для всех видов энергоактивных (и не только энергоактивных) зданий требование сокращения собственных энергетических затрат удовлетворяется на основе единых технических средств, которые сводятся к следующим.
А. На стадии градостроительного проектирования.
- Изучение местных природно-климатических факторов района строительства с энергетической точки зрения и разделение их на две условные категории— положительную и отрицательную — путем сопоставления с требуемыми энергетическими, а в более широком смысле — экологическими параметрами проектируемого здания или микрорайона.
- Привязка проектируемого объекта на площадке, которая из числа равновозможных имеет наибольшее число природно-климатических факторов с энергетическим знаком (+), т. е. в наибольшей степени нейтрализует негативные факторы внешней среды (защищена от холодных ветров зимой, расположена в лесопарковой зоне у южного склона рельефного образования — в северных районах с суровым климатом; защищена от перегрева в наиболее жаркие часы, микроклимат локально смягчен влиянием примыкающего к площадке водоема и обильного затенения от деревьев, кустарников и вьющихся растений — в южных районах).
- Искусственное усиление энергетически нейтрализующего воздействия на неблагоприятные природно-климатические факторы условно отрицательной категории путем целенаправленной организации рельефа и выполнение других ландшафтных мероприятий (создание защищенного растительностью земляного барьера на пути неблагоприятных ветров, устройство водоема или системы водоемов у проектируемого объекта с целью локальной оптимизации энергетических параметров микроклимата в окрестностях объекта).
- Размещение вновь возводимых объектов или привязка нового объекта в районе существующей застройки с группировкой объектов по признаку противоположных энергетических требований к природно-климатическим факторам внешней среды с целью оптимизации энергетического баланса одного или всех объектов, образующих группу, путем защиты одного объекта другим или взаимного перераспределения внешней или внутренней энергии (затенение здания- холодильника расположенным рядом относительно индифферентным к внешним энергетическим воздействиям производственным или иным зданием; размещение культивационного сооружения в окрестностях промышленного здания с избыточными тепловыделениями с целью утилизации последних).
Другие специфические для каждого возобновляемого источника энергии приемы градостроительного проектирования энергоактивных зданий рассмотрены в пп. 2.2—2.5.
Б. На стадии архитектурного проектирования зданий.
- Снижение удельной площади наружных ограждений на единицу объема здания путем максимально компактной компоновки здания, предельно допустимого увеличения объема единого здания на основе принципа блокировки однородных объектов, а также широкого применения принципа объемной блокировки разнородных объектов, объединяемых по признаку противоположности знака однотипных составляющих их энергобалансов с обеспечением экономии энергии за счет взаимного уравновешивания плюсов и минусов энергобалансов взаимосвязанных блоков.
- Целенаправленный выбор формы или ориентации объекта или его части с учетом свойств энергетического поля возобновляемого источника или иных энергетических полей, взаимодействующих со зданием.
- Применение приемов объемной, пространственной (геометрической) трансформации здания, сооружения или изменение энергетических полей.
- Более широкое применение литосферных форм зданий или относительное увеличение объемов заглубленной части зданий.
- Введение внешних конструктивных элементов, обеспечивающих дополнительный приток к зданию энергии возобновляемого источника.
- Сочетание в различных вариантах и мультипликация приемов, изложенных выше.
В. На стадии конструктивной разработки зданий.
1. Повышение теплозащитных свойств ограждений следующими способами: наращивание толщины однородного ограждения или теплозащитного слоя в слоистом ограждении до значения, обеспечивающего минимум приведенных затрат либо заданный минимальный уровень расхода энергии на термостатирование здания;
применение эффективной теплоизоляции, в том числе легчайшей, плитного, рулонного или сыпучего типа, обеспечивающей достижение тех же целей;
введение в ограждение массивного теплоинерционного слоя, например воды, грунта, каменной наброски;
введение воздушных прослоек и их экранирование, герметизация и сквозное проветривание;
экранирование ограждения (преимущественно внешнее), применение насыпного защитного слоя из гравия или других материалов, уменьшающих энергетическую проницаемость конструкции;
применение различной степени вакуумирования ограждений или введение в них вакуумированных элементов;
уменьшение тепловой черноты поверхностей воздушных прослоек или вакуумированных элементов;
геометрическая трансформация ограждений или их элементов, например элементов защиты светопроемов, с целью регулирования термического сопротивления до значения, не меньшего, чем сопротивление глухих участков конструкции;
применение травяного или иного растительного слоя, нанесенного на ограждение или размещенного между его конструктивными элементами с целью повышения защитных свойств грунта;
применение инженерных решений, основанных на свойствах электростатического, электромагнитного, магнитного и других силовых полей, для регулирования термического сопротивления и теплопередачи в ограждениях, например введение антистатической защиты конструкций, сохраняющей их прозрачность или другие параметры лучистого теплообмена на высоком исходном уровне;
сочетание в различных вариантах и мультипликация приемов, изложенных выше.
Другие специальные приемы повышения энергоэкономичности конструкций, технологически или функционально связанные с разработкой или применением энергоактивных элементов, рассмотрены в пп. 2.2 -2.5 во взаимосвязи с тем или иным возобновляемым источником энергии, на утилизацию которой ориентировано здание.
В заключение необходимо обратить особое внимание на исключительно важную роль, которую играют в обеспечении энергетической и не только энергетической экономичности зданий факторы огражденности и компактности. Для этого назовем коэффициентом огражденности здания μ отношение суммы площадей наружных ограждений
к объему Vзд:
(2.1)
и отметим в качестве исходных аксиом, что из множества прямоугольных зданий равного объема наиболее компактно и имеет наименьшее значение коэффициента огражденности здание кубической формы, причем с возрастанием объема значение μ уменьшается.
Далее, сохраняя постоянным объем и варьируя форму здания, мы тем самым неизбежно изменяем суммарную площадь наружных ограждений ΣFн.о, коэффициент огражденности μ и компактность здания. Приняв в качестве эталона компактного решения здание кубической формы, можно количественно выразить относительную некомпактность других форм зданий через коэффициент некомпактности γ, равный отношению коэффициентов огражденности здания конкретной формы μэт и эталона μзд:
Так, при застройке жилого микрорайона двенадцатиэтажными зданиями один и тот же полезный объем Vзд=94500 м3 может быть решен в виде десяти башен размером 15x15x42 м или в виде одного здания размером 12Х 187Х 42 м. Первое из этих решений имеет коэффициент некомпактности 2,65, а второе — 1,83, т. е. на 44% экономичнее. Применение второго варианта взамен первого на 44% снижает материалоемкость и стоимость наружных ограждений, при этом пропорционально снижается расход энергии на отопление при прочих равных условиях. Раздвигая границы сопоставимых вариантов, в том числе до экстремумов, можно показать, что теоретически наилучшие по компактности объемно-планировочные решения зданий могут иметь коэффициенты огражденности, а следовательно, показатели расхода материалов на ограждения и энергии на термостатирование, в 5—9 раз более экономичные, чем аналогичные показатели экстремально худших в этом отношении вариантов.
Дальнейшее повышение энергетической экономичности здания связано с применением энергоактивных систем, рассчитанных на возобновляемые источники энергии с различной степенью замещения ими энергии невозобновляемых источников.
По степени долевого замещения энергии традиционных источников может быть принята следующая условная градация энергоактивности зданий:
здания малой энергоактивности (замещение до 10%);
здания средней энергоактивности (замещение от 10 до 60%);
здания высокой энергоактивности (замещение более 60, но не менее 100%);
здания энергетически автономные (замещение 100%);
здания избыточной энергоактивности (возможное замещение энергии превышает собственные потребности, часть энергии может быть передана другим объектам).
Отметим, что две последние категории энергоактивных зданий требуют наибольших дополнительных капитальных затрат и поэтому могут применяться лишь при наличии специальных технико-экономических обоснований либо в системе, состоящей из группы зданий, образующих единый энергетический комплекс с межобъектным перераспределением энергии возобновляемого источника.
