Смыслов
Александр, бакалавр архитектуры и градостроительства
Российский
Университет Дружбы Народов, Россия
Проблемы создания
объёмно-планировочных решений энергосберегающих зданий для Центрального региона
России.
В течение ХХ века человечество израсходовало на свои нужды свыше 500 млрд. т условного топлива — больше, чем за всю предшествующую историю. Такое расточительство энергоресурсов далее недопустимо.В третьем тысячелетии комфортное качество жизни должно обеспечиваться при условии экономии топлива и энергии во всех сферах жизнедеятельности человека, поскольку энергосбережение является существенным фактором сбалансированного развития энергетики и экономики на длительную перспективу и устойчивого развития территорий. Поэтому в последние десятилетия вопросы энергосбережения становятся одной из наиболее значимых общественных проблем и входят в ранг самых приоритетных направлений международной политики. Россия, обладая значительными запасами топливно-энергетических ресурсов, тем не менее должна также учитывать общемировые тенденции сбережения топлива и энергии. Высокая энергоемкость отечественной продукции, снижение добычи топливно-энергетических ресурсов, повышение затрат на добычу и транспорт, значительные уровни энергетических потерь, высокие цены на топливо и энергию, глобальный экологический кризис — это те факторы, которые способствовали осознанию значимости проведения политики энергосбережения на государственном уровне. В современном городе концентрируется большинство видов социально-экономической деятельности с различными затратами топливно-энергетических ресурсов. Значительные резервы экономии энергии при этом лежат в той сфере общественного производства, за которую ответственны или к которой причастны архитектура и градостроительство. По оценкам специалистов реализация только этого резерва может дать около 20 % всего макроэкономического эффекта экономии топливно-энергетических ресурсов.В теоретико-градостроительном плане необходимы поиск и разработка методов достижения максимального соответствия между конфигурацией и планировочной структурой города, параметрами функционального использования территорий, объемно-планировочными и конструктивными характеристиками отапливаемых зданий и сооружений, с одной стороны, и территориально-пространственным распределением и потреблением энергии — с другой. Ощутимых результатов территориального энергосбережения невозможно достичь без глубокого переосмысления энергетического фактора в архитектурно-строительном проектировании, без осознания больших возможностей по оптимизации микроклимата помещений и систем его регулирования. Существенно повысить энергетическую эффективность позволяет создание зданий с эффективным использованием энергии и применение возобновляемых источников энергии на их энергоснабжение. Это даст возможность частичного, а при благоприятных климатических условиях полного замещения в эксплуатируемых зданиях и сооружениях традиционных источников энергии нетрадиционными. Учет природно-климатических параметров и характеристик в градостроительстве и архитектуре выполняет двоякую роль, заключающуюся, с одной стороны, в максимальном смягчении отрицательного воздействия природы на человека, здания и сооружения, с другой — в использовании энергии возобновляемых источников для регулирования микроклимата в зданиях. При этом предполагается достижение главной цели — снижение затрат энергии на эксплуатацию зданий.Климатическое районирование позволяет получить обобщенные данные по климату достаточно большой территории. Однако любые градостроительные мероприятия оказывают воздействие на изменение первоначального мезо- и микроклимата на строительном участке. В частности, температура воздуха в городской застройке обычно на 2 – 3 °С выше, чем за ее пределами. Исходя из этого создание необходимых климатических параметров в застройке должно быть и целенаправленным.На формирование мезо- и микроклимата территории влияют, прежде всего, градостроительные решения в сочетании с такими климатическими характеристиками, как направление доминирующего ветра, косые осадки, продолжительность инсоляции, характер затенения солнечной радиации рядом расположенными зданиями, топография и ландшафт городской застройки. Воздействие этих климатических характеристик в создаваемой искусственной среде поддается позитивному изменению с помощью архитектурно-планировочных приемов. С позиции энергосбережения в застройке могут быть использованы следующие градостроительные решения:• рациональная ориентация зданий по сторонам горизонта. В целях использования теплоты солнечной радиации для обогрева зданий зимой и избегания их перегрева летом предпочтительна ориентация зданий на юге широтная, на севере — меридиональная. Переход от одной ориентации к другой приходится на широту, где продолжительность отопительного периода составляет около 200 суток;• энергоэффективное зонирование территории застройки;• соответствующее взаиморасположение зданий и сооружений;• ликвидация сквозных ветрообразующих пространств и организация замкнутых дворовых и внутриквартальных территорий;• использование специальных ветроломных щитов в виде лесонасаждений, что дает возможность снизить скорость ветра на 40 – 60 %. Уменьшение скорости ветра в зоне застройки планировочными средствами в 2 раза позволяет сократить в 2 – 3 раза долю потерь тепла зданиями за счет снижения инфильтрации;• рациональное зонирование застройки по этажности, что способствует снижению обдуваемости отдельных частей и здания в целом. Скорость ветра возрастает с высотой, следовательно, значительное количество теплоты под воздействием этого фактора теряют многоэтажные здания.Основная цель архитектурно-строительного проектирования энергосберегающих зданий — создание построек, в которых рационально используются энергетические и материальные ресурсы для обеспечения комфортного микроклимата в помещениях. Достижение указанной цели требует учета многообразия архитектурно-строительных, часто противоречивых факторов, влияющих на энергобаланс здания.Проектирование энергоэффективных зданий прежде всего зависит от мастерства архитекторов и инженеров. При проектировании архитектор решает задачу использования наилучшим образом положительного энергетического влияния наружного климата и максимальной нейтрализации отрицательного влияния 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. Вполне естественным является вопрос: насколько удачно архитектору и инженеру удалось решить свои задачи по проектированию энергоэффективного здания" Только качественная оценка результата (излюбленный прием архитекторов!) 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 существующими, но не дает ответа на вопрос: можно ли было запроектировать энергоэффективное здание лучше и насколько лучше" Очевидно, что заинтересованный исследователь уже понимает, что лучшим результатом работы архитектора и инженера является оптимальное энергоэффективное здание, обеспечивающее минимум расхода энергии в системах его климатизации. Оказывается, что современные методы математического системного анализа позволяют находить оптимальные архитектурные и инженерные решения проектируемого энергоэффективного здания.Конечно, надо бы сформулировать, какие решения включает понятие "архитектурные решения энергоэффективного здания" и какие решения включает понятие "инженерные решения энергоэффективного здания". Для начала обсуждения отнесем к архитектурным такие решения, которые должны наилучшим образом учитывать положительное воздействие наружного климата и должны максимально нейтрализовать его отрицательное воздействие, т. е. ориентацию и форму здания, имея в виду, что форма здания связана естественным образом с остеклением и тепло-, солнцезащитой ограждающих конструкций, а к инженерным решениям отнесем не только выбор типа системы отопления-охлаждения и вентиляции здания, но также форму их организации. Здесь "тип системы" означает, например, систему воздушного отопления, совмещенную с вентиляцией, или систему водяного отопления и естественной вентиляции и тому подобное, а форма или конфигурация системы - это каким образом потоки энергии и массы распределены по помещению.Будем характеризовать энергетическую эффективность здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями величиной затрат энергии на его климатизацию и обозначим эту величину Qmin. Об уровне мастерства архитектора и инженера с точки зрения энергоэффективности здания можно судить, используя соотношение, которое показывает, насколько представленное решение здания отличается от оптимального:
h = Qmin/Q (1), где Qmin - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями; Q - 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 h в формуле (1) изменяется в пределах от 0 до 1. Чем ближе величина h 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 h можно записать так [3]: h = h1 x h2, (2)где h1 = Qарх min/Q;h2 = Qинж min/Q;Qapx min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями; Qинж min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными инженерными решениями. Теперь h1 можно трактовать как показатель мастерства архитектора, а h2 -как показатель мастерства инженера.
В заключение необходимо остановиться на двух обстоятельствах, влияющих на окончательный выбор проекта здания. Первое - проект оптимального энергоэффективного здания может быть по приведенным затратам хуже предлагаемого проекта. В этом случае окончательный выбор варианта проектируемого здания определяется по минимуму приведенных затрат.Второе обстоятельство - при реальном проектировании выбор оптимального варианта энергоэффективного здания может быть стеснен рядом ограничений, так называемых "дисциплинирующих условий", которые фиксированы с самого начала и нарушены быть не могут (например, этажность или протяженность здания). В этом случае ставится задача оптимизации с заданными ограничениями и цель достигается при получении оптимального решения с учетом заданных ограничений.Общим требованием к форме всех типов энергосберегающих зданий является уменьшение теплопотерь через наружные ограждающие конструкции. Таким требованиям соответствуют здания с минимальным отношением площади этих ограждений к одному из его геометрических параметров, например к объему или площади пола.Для выявления зависимости различных параметров здания на его теплопотери необходимо продолжить изменять размеры здания и его форму, сохраняя при этом постоянным его объем. При этом критерием энергоэффективности формы здания является его компактность, представляющая отношение площади наружной оболочки здания к его объему. Расчеты компактности различных зданий приводят к неизменному результату: наиболее компактно здание в форме сферы, немного хуже — кубической формы или в форме широкого параллелепипеда. Такие здания обладают низкой материалоемкостью и наименьшими теплопотерями. Неблагоприятной формой являются здания узкие, длинные или в виде высокой башни, для них свойственна наибольшая энергоемкость.На стадии проектирования можно предвидеть расход энергии на отопление здания в зависимости и от его конфигурации в плане. Энергетическая оптимальность плана оценивается значением отношения периметра здания P к площади его пола S, что при одинаковой высоте помещений здания соответствует отношению площади поверхности к объему.Минимальное энергопотребление при одинаковой площади пола, свойственно зданиям, имеющим очертание плана в виде круга. Однако в таком типе зданий могут значительно увеличиться затраты на его возведение и возникнуть трудности с внутренней планировкой.Важным методом повышения энергоэффективности здания при проектировании является изменение его формы путем формирования одного объекта из нескольких блоков. Блокирование позволяет добиться уменьшения теплопотребления зданием вследствие снижения площади наружных ограждающих конструкций до 50 %, материалоемкости строительства — на 8 – 10 %, площади застраиваемой территории — на 30 – 40 %, сокращения длины коммуникаций, подъездных путей и т.д..Компактность формы здания лишь отчасти характеризует величину теплопотерь, поскольку не учитывает условия теплообмена ограждающих конструкций с окружающей средой. Поэтому при разработке объемно-планировочных решений важно отыскать оптимальное соотношение размеров здания, обеспечивающее минимальные теплопотери через его оболочку.Энергоэкономичность архитектурно-строительных решений здания оценивают величиной удельного расхода энергии на его отопление. Этот показатель определяется как отношение тепловых потерь здания к полезной площади его ограждающих конструкций. На энергоэкономичность здания могут влиять как абсолютные размеры (длина, высота, ширина, этажность), так и соотношения отдельных параметров (удельная площадь наружных ограждений, удельный периметр наружных стен, соотношение площади оконных проемов к площади наружных стен).Удельный расход энергии на отопление q изменяется в зависимости от этажности и ширины зданий. Максимальные значения этого показателя наблюдаются в одноэтажных зданиях, с увеличением этажей q снижается, причем наиболее значительно в интервале с первого по третий этаж. Уменьшение энергопотребления достигается и в результате проектирования и строительства многоэтажных зданий, занимающих большую площадь в плане. С увеличением ширины корпуса жилых зданий, приводящей к сокращению на 20 – 30 % удельной площади ограждающих конструкций на 1 м² жилья, теплопотери понижаются на 15 – 20 %.В практике проектирования зданий и сооружений с целью анализа их теплозащитных качеств используют, в частности, такие показатели как удельный периметр наружных стен и удельная площадь наружных ограждений.Важным методом снижения энергопотерь в зданиях объемно-планировочными средствами является выбор оптимальной площади оконных проемов. На окна приходится до 50 % теплопотерь в зданиях. Существенную роль в этом играет степень остекленности фасадов зданий. При проектировании оконных проёмов обычно исходят из обеспечения нормативной освещенности, функциональных и эстетических требований. При этом оптимальная площадь светопроемов зависит от климатических условий строительства. Если по архитектурным соображениям необходима большая площадь светопроемов в зданиях, то наличие современных светопрозрачных ограждений с достаточно высоким сопротивлением теплопередаче позволяет реализовать практически любое решение архитектора. Для некоторых энергоактивных зданий эта мера становится обязательной. При увеличении площади светопроемов проектировщику необходимо учитывать вероятность роста теплопотерь зимой и теплопоступлений летом, возможность снижения энергетической нагрузки на систему искусственного освещения и статической нагрузки на фундамент (за счет уменьшения площади глухих участков).Существенное воздействие на оболочку здания оказывают солнечная радиация и ветер. Для комплексной оценки влияния этих факторов на баланс тепловой энергии здания желательно рассматривать график “розы ветров” совместно с изображением секторов неблагоприятной ориентации по условиям теплопоступлений от солнечной радиации. Основными методами уменьшения неблагоприятного влияния климатических факторов на микроклимат здания является его рациональная ориентация по сторонам горизонта и выбор оптимального планировочного решения. При разработке планировочных решений здания, расположенного в любом климатическом районе страны, целесообразно применять принцип теплового зонирования. Расположение помещений по этому принципу позволяет улучшить воздушный режим здания и экономить тепловую энергию.Важными элементами формирования микроклимата и регулирования энергопотребления в зданиях являются “буферные зоны” — веранды, лоджии, оранжереи, остекленные дворы, атриумы и т.п.. Рационально спроектированные “буферные зоны” смягчают воздействие климатических факторов на здание, позволяют создать нормативные санитарно-гигиенические условия в помещениях при относительно меньших затратах энергии. Восприятию природной возобновляемой энергии способствует ориентация зданий. В северных широтах, где в весенне–летний период наблюдается некоторый дефицит солнечной радиации, выгодно меридиональное размещение зданий. Такое расположение зданий обеспечивает в этот период повышение солнечной облученности наружных ограждений в среднем на 30 % Литература:1. Табунщиков Ю. Энергоэффективное здание - симбиоз мастерства архитектора и инженера // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. №4.
2. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий. - "АВОК", № 1, 1998.
3. Голованова Л. А., Основные аспекты территориального энергосбережения. Учебное пособие. - Хабаровск, изд-во ХГТУ, 2002.
4. Браде И., Перцик Е. Н., Питерский Д. С. Районная планировка и разработка схем расселения. Опыт и перспективы. – М., Международные отношения, 2000.
5. Булгаков С. Н., Энергоэффективные строительные системы и технологии. // Промышленное и гражданское строительство, 1999, № 11.