2020-06-12
699
Энергоэффективным можно считать здание, в котором экономия энергоресурсов достигается за счет применения инновационных решений, которые приемлемы с экологической и социальной точек зрения, технически осуществимы, экономически обоснованны. Одним из принципов энергоэффективного строительства является проектирование здания с учетом непосредственной связи с окружающей его средой.
В процессе проектирования энергоэффективного здания коллектив проектировщиков решает комплексную задачу по использованию положительного и максимальному исключению отрицательного воздействия наружного климата на тепловой баланс здания. Это возможно при создании такой системы искусственного микроклимата в здании, которая с наименьшими затратами энергии обеспечит требуемые параметры внутренней среды в помещениях с учетом региональных особенностей местности. При этом для обеспечения оптимальных параметров микроклимата здания и снижения энергозатрат в процессе его эксплуатации необходимо правильно определить архитектурно-планировочную концепцию здания (форма и объемно-планировочное решение), вид остекления и солнцезащиты, конструктивное решение и материалы наружных ограждающих конструкций, источники теплоснабжения, виды инженерных систем в здании (отопление, вентиляция, кондиционирование) [2].
Немаловажным условием, определяющим возможность проектирования и строительства энергоэффективного здания, является выбор местоположения здания с учетом климатических особенностей, рельефа местности и существующей застройки в районе предполагаемого строительства. Все перечисленные факторы определяют региональные особенности, влияющие на проектирование, строительство и эксплуатацию энергоэффективного здания.
Большое значение при проектировании имеют рациональная ориентация здания, солнечность климата, ветровой режим местности, рельеф предполагаемого участка застройки, водоемы, окружающая растительность. Далее рассмотрено влияние на энергоэффективное проектирование каждого фактора окружающей среды в отдельности.
3.2.1 Климат местности и ориентация зданий
Под климатом понимают многолетний режим погоды, наблюдающийся на данной территории. В настоящее время установлено, что на условия его формирования оказывают влияние астрономические, географические и циркуляционные факторы. К ним относятся положение Земли относительно Солнца, распределение суши и моря, циркуляция атмосферы, морские течения, а также рельеф земной поверхности.
В настоящее время при проектировании зданий используются такие климатические параметры как температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивность солнечной радиации. Эти данные представлены в виде таблиц и климатических карт в СП 131.13330.2012 "Строительная климатология" [3]. Воздействие наружного климата на ограждающие конструкции здания можно характеризовать метеорологическим градиентом, который учитывает направление, величину и повторяемость показателей наружного климата. Для каждой местности существует свой метеорологический градиент, оказывающий различное влияние на поверхности здания и размещенные в нем помещения, имеющие различную ориентацию. В результате такого воздействия помещения, ориентированные на разные стороны горизонта, могут иметь различные показатели теплопоступлений и теплопотерь.
Из основных параметров климата, учитываемых при разработке проектов энергоэффективных зданий, в практике чаще всего используют показатели ветрового и солнечного режима местности, а также наружной температуры для выбора конструкций наружных ограждений с точки зрения необходимой тепловой защиты.
Солнечная радиация и инсоляция
Солнечная радиация - это поток солнечного излучения, включающий световые видимые и невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Количество тепла, поступающего от солнечной радиации, зависит от географической широты местности, продолжительности светового дня, состояния атмосферы и подстилающего слоя, расположения поверхности, ее ориентации по странам света. Инсоляция представляет собой облучение земной поверхности, объектов и предметов прямыми и рассеянными солнечными лучами.
Солнечная радиация и инсоляция имеют важное гигиеническое значение для обеспечения необходимых параметров микроклимата помещений. Инсоляция оказывает бактерицидное действие, способствует выработке иммунологических реакций в организме человека, оказывает положительное влияние на обмен веществ. С этой точки зрения в России не допускается ориентировать окна жилых комнат к квартирах с односторонней ориентацией на северные фасады (запрещенный сектор - 310° - 50°), так как в зимний период они практически не получают прямых солнечных лучей, а в летний период время облучения настолько мало, что оказывается недостаточным для обеспечения гигиенической функции. Кроме того, солнечная радиация обеспечивает естественное освещение помещений, снижая потребность в искусственном освещении в дневное время суток и улучшая психологическое воздействие на людей, находящихся в здании. За счет максимального теплопоступления от солнечной радиации в холодный период года происходит дополнительный обогрев поверхностей и помещений, ориентированных на южные стороны горизонта, что позволяет сократить затраты тепловой энергии на обогрев таких помещений, используя системы отопления с пофасадным регулированием.
В то же время избыточное воздействие солнечной радиации может вызвать перегрев поверхностей, приводит к возникновению бликов и слепимости, что особенно важно при проектировании административных, производственных зданий, учебных заведений. В районах с жарким сухим климатом за счет солнечной радиации увеличение температуры освещаемых солнцем поверхностей может составлять 16-45 °C, вследствие чего нагретый воздух попадает внутрь здания. Для защиты здания от перегрева и сокращения времени использования систем кондиционирования необходимо использовать следующие способы:
- эффект затенения перегреваемых поверхностей стен за счет использования вдоль них широких карнизов кровли;
- уменьшение поглощения солнечной радиации поверхностью кровли и снижение ее температуры за счет использования кровельных материалов с низкой теплопроводностью;
- сведение площади остекления к минимуму, оптимальному с точки зрения обеспечения нормального естественного освещения и создания зрительного комфорта;
- ориентация здания с учетом защиты от избыточной солнечной радиации и защиты от перегрева;
- применение для ограждающих конструкций материалов, обладающих высокой аккумулирующей способностью (кирпич, камень); такие материалы обеспечивают прохладу в помещениях за счет высокой инерционности (требуется длительное время для их нагрева и остывания).
Нормами проектирования жилых зданий, действующих в РФ, для регионов, расположенных южнее 47° с.ш., ограничивается ориентация на западную и юго-западную стороны горизонта квартир с односторонней ориентацией жилых комнат в связи с возможным перегревом. Для снижения таких отрицательных эффектов, как перегрев и блескость, необходимо выполнять комплексную оценку эффективности инсоляции совместно с проектированием солнцезащитных и светорегулирующих устройств. Эти меры позволят снизить энергозатраты на кондиционирование воздуха в теплый период года.
Использование энергии Солнца в качестве возобновляемого источника энергии получило в настоящее время наибольшее практическое значение. Применение экологически чистой солнечной энергии для отопления, нагрева воды, кондиционирования воздуха особенно актуально в районах с теплым и жарким климатом. Проектирование и строительство так называемых гелиозданий может существенно сократить затраты традиционных видов энергии, тем самым повысив энергоэффективность застройки в целом и уменьшить отрицательные воздействия здания на окружающую среду. Солнечные коллекторы (гелиоприемники) в качестве активных энергосистем проектируют соответственно широте местности, их располагают на южной стороне здания, что повышает их аккумулирующие свойства. Архитектурно-планировочная композиция и ориентация таких зданий существенно зависит от климатических особенностей местности.
Для уменьшения теплопотерь здания пассивным способом за счет солнечной радиации используют такой архитектурно-композиционный прием как атриум. За счет наличия так называемого тепличного эффекта солнечные лучи, падая на поверхность остекления атриума, частично отражаются, частично поглощаются и проникают внутрь помещения. Атриумы могут быть охлаждающими, согревающими или трансформируемыми. Согревающий атриум проектируется с учетом достижения максимальной доли тепловой энергии, проникающей в помещение за счет солнечной радиации. Это позволяет уменьшить длительность отопительного периода и сократить энергозатраты на обогрев внутренних пространств. Охлаждающий атриум используется в районах с жарким и влажным климатом и является резервуаром для охлажденного воздуха. Этот прием позволяет сократить расходы на механическую вентиляцию и кондиционирование помещений. Трансформируемый атриум меняет свое назначение в зависимости от времени года и может использоваться в районах с умеренным климатом [4].
Таким образом, проектируя здания с учетом солнечности климата, необходимо стремиться к рациональной организации внутреннего пространства, компактной форме плана, меридиональной ориентации здания в районах с холодным климатом для снижения теплопотерь зимой и, наоборот, обеспечивать широтную ориентацию в южных районах для сокращения теплопоступлений от солнечной радиации летом.
Аэрационно-ветровой режим.
Комфортные условия городской застройки и микроклимат зданий в значительной степени зависят от ветрового режима местности. Ветровой режим характеризуется скоростью (м/с) и повторяемостью (%) ветра по румбам. Данные о ветровом режим представляют в виде таблиц или графически (роза ветров). Ветер оказывает положительное воздействие летом, обеспечивая охлаждение воздуха, зимой за счет ветра возникает дополнительное ветроохлаждение воздуха и поверхностей.
Аэрация застройки способствует выносу загрязненного воздуха с ее территории, тем самым улучшая качество воздуха внутри здания, способствуя эффективной работе систем естественной вентиляции. При этом для формирования энергоэффективной застройки необходимо по возможности удалять здания от источников внешнего загрязнения (промышленных объектов, автомагистралей и т.п.), поддерживая тем самым чистоту воздуха в помещениях. Важными задачами являются оценка характера и степени загрязнения воздуха, которые наблюдаются в течение года на конкретной территории, и исключение в застройке участков со штилевыми условиями, способствующими формированию застойных зон и накоплению загрязнений на территории застройки.
Характер влияния ветра на здание обусловлен геометрическими параметрами самого здания, его местоположением в застройке, типом и расположением растительности относительно здания, направлением и скоростью ветра [5]. В различных климатических зонах ветер может оказывать как отрицательное, так и положительное воздействие на тепловой режим здания. Учитывая это, необходимо предусматривать либо мероприятия по защите от переохлаждения здания за счет аэрации, либо использовать возможности обеспечения естественной вентиляции путем улавливания воздушных потоков.
Для многих зданий естественный воздухообмен является основным средством создания и поддержания необходимых гигиенических условий. Естественный перенос воздуха происходит из-за разности давлений, возникающей в результате перепада температур между внутренним и наружным воздухом. В холодный период года происходит приток наружного воздуха в помещения через щели и неплотности в ограждающих конструкциях (инфильтрация) и удаление нагретого воздуха наружу (эксфильтрация).
В отапливаемых зданиях, как показывает опыт их эксплуатации, преобладает инфильтрация через наружные ограждения, особенно при скоростях ветра, превышающих 5 м/с. За счет инфильтрации происходит увеличение теплопотерь здания в целом (до 5% для ограждений, защищенных от ветра, до 10% для ограждений, открытых ветрам), и увеличивается расход тепловой энергии на нагревание холодного воздуха, проникающего в помещения через ограждающие конструкции. Основными путями проникновения холодного воздуха в здание являются оконные и дверные проемы. Дверные проемы лучше размещать с южной или восточной стороны, что уменьшает тепловые потери в зимний период. Для исключения переохлаждения здания за счет инфильтрации в районах с холодным и умеренным климатом необходимо устройство тамбуров или других буферных помещений, повышение степени тепловой защиты стен, оконных заполнений, качественная герметизация стыков конструктивных элементов. Особое внимание необходимо уделять при этом проектированию ограждений, расположенных с наветренной стороны по отношению к господствующим зимним ветрам. В проектах энергоэффективных зданий, где вопрос выбора системы отопления является приоритетным, учет направления господствующих ветров и ориентации здания может снизить величину теплопотерь, особенно в случаях, когда здание не защищено от ветра и находится на возвышенности. Уменьшить теплопотери из зданий при сильных ветрах можно правильным выбором местоположения здания, его формой, устройством балконов и лоджий и их ориентацией [6] (рис.3.2.1.1).
Создание в городской застройке в условиях умеренного и холодного климата благоприятного ветрового режима необходимо для увеличения в последствии ее энергоэффективности. При этом в летний период года необходимо обеспечить проветривание и конвективный теплообмен для создания условий естественной вентиляции помещений, а зимой, напротив, требуется снизить охлаждающее действие ветра для исключения избыточных теплопотерь из здания. То есть необходимо решить две противоположные задачи.
Рис.3.2.1.1. Ветроохлаждение зданий [6]:
1 - местоположение здания и теплопотери; 2 - ориентация и теплопотери; 3 - теплопотери отдельного помещения в зависимости от характера ограждения: стена - открытая лоджия - остекленная лоджия - лоджия с наклонным остеклением
При повышенной скорости ветра на территории застройки создаются условия для дискомфорта и переохлаждения. В этом случае требуется обеспечить защиту зданий от ветра путем снижения скоростей ветра путем правильной ориентации зданий и создание ветрозащитных полос зеленых насаждений. Высокие и протяженные ветрозащитные здания способствуют созданию "ветровой тени" и защищают застройку, расположенную за ними, от влияния господствующих "зимних" ветров. В теплый период при малых скоростях ветра необходимо увеличить проветривание территории путем использования особых приемов застройки, способствующих уплотнению воздушных потоков и улучшению условий проветривания. Благоприятна с этой точки зрения расстановка зданий в шахматном порядке на расстоянии 2-2.5 высоты друг от друга.
В районах с теплым и жарким климатом охлаждающий эффект от естественного движения воздуха способствует созданию физиологического комфорта и играет главную роль при размещении здания на участке и выборе его ориентации. Здание может быть размещено таким образом, чтобы направление ветра в ночное время охлаждало здание или же стоящие рядом здания обеспечивали солнцезащиту, что снижало бы энергозатраты на охлаждение строений.
В районах с сухим жарким климатом ветры высоких скоростей, способные поднимать и переносить песок и пыль, могут создавать неблагоприятные условия для разработки естественных средств вентиляции. В связи с этим в районах с повышенной запыленностью и пескозаносимостью предпочтительна планировочная структура здания с наличием внутреннего дворика, используют также защитные экраны или стены, размещаемые на расстоянии не далее 6 м от стен здания.
В жарко-влажных районах необходимо обеспечивать сквозное проветривание помещений для снижения температуры и влажности внутреннего воздуха. Часто для этого внешний объем здания проектируют в виде узкого и длинного параллелепипеда, ориентированного продольной осью в направлении восток-запад, что способствует использованию благоприятного воздействия ветра. Кроме того, для использования эффекта естественного проветривания необходимо обеспечить большую площадь световых проемов, в то же время ограничивая ее по условиям естественного освещения и перегрева. Затенение в этом случае обеспечивают за счет больших свесов крыш, устройства вдоль фасадов здания открытых летних помещений и использования наружных солнцезащитных устройств (жалюзи, ставней с жалюзийными решетками, перфорированных экранов из теплооталкивающего стекла). Проемы в зданиях с жарко-влажным климатом располагают на противоположных фасадах, перпендикулярных направлению господствующего ветра, для обеспечения эффекта сквозного проветривания. Предпочтительными являются рассредоточенная застройка, здания галерейного типа с открытой внутренней планировкой.
Ветер в качестве возобновляемого источника энергии используют в районах с высоким ветроэнергетическим потенциалом. Такими территориями в РФ являются районы Нижнего Поволжья и Дона, юга Западной Сибири, побережья Каспийского и Черного морей. При расчете ветрового потока в этом случае учитывают, что наибольшая мощность ветра имеется в осенний и зимний периоды, в это время потенциал солнечной энергии убывает. Площадь сечения воздушного потока в зависимости от скорости ветра определяет количество получаемой энергии. При выборе расположения ветроэнергетических установок учитывают розу ветров, характеризующую преобладающее направление и скорость ветра [5].
Таким образом, учет ветрового режима местности может повысить энергоэффективность застройки за счет применения строительных методов и средств, а именно:
- выполнение градостроительных требований, в том числе по плотности застройки и ориентации зданий (к примеру, ориентирование зданий торцами к господствующему зимнему ветру для уменьшения инфильтрации; меридиональное расположение продольного фасада зданий в северных районах для снижения теплопотерь зимой; широтное расположение зданий в южных районах для снижения теплопоступлений от солнечной радиации летом (снижения нагрузки на системы кондиционирования);
- выбор конструктивных решений (усиление теплозащиты оболочки здания, выбор материалов с меньшей теплопроводностью, снижение воздухопроницаемости конструкций, подбор оптимальной площади светопрозрачных ограждений).
3.2.2 Ландшафт участка застройки
Ландшафт участка оказывает значительное влияние на выбор места строительства будущего энергоэффективного здания. Принцип выбора местоположения здания с учетом ландшафта отражает влияние рельефа, наличие водоемов и элементов благоустройства на проектирование энергоэффективных и энергоэкономичных зданий.
Наличие сложногорельефа может существенно влиять на принимаемые проектные решения. В зависимости от характера рельефа могут значительно изменяться ветровые характеристики и температурный режим застройки, что непосредственным образом будет оказывать влияние на энергоэффективность зданий, выбор их теплозащитных характеристик, долговечность конструкций. При проектировании очень важно учитывать характер рельефа, а также крутизну и ориентацию склона. Местность с вогнутым рельефом значительно холоднее соседних участков в связи с тем, что холодный воздух тяжелее теплого и перемещается со склонов на плоские равнины. Любые искусственно созданные или естественные препятствия для стока холодного воздуха существенно влияют на распределение ночных температур. Для строительства жилых и общественных зданий рекомендуется использовать склоны холмов с уклонов не более 30° [5].
Если при проектировании принять во внимание воздействие солнечной радиации на наклонные поверхности разной ориентации, можно модифицировать рельеф участка для улучшения микроклимата вокруг здания. Наиболее предпочтительны для строительства энергоэффективных зданий в районах с холодным климатом склоны, ориентированные на южные стороны горизонта. Они получают наибольшее количество солнечной радиации. среднесуточные температуры выше, чем на северных склонах, влажность существенно ниже.
Водоемы, независимо от их происхождения, могут существенно улучшить микроклимат в застройке за счет испарения, которое, увеличивая относительную влажность воздуха, снижает температуру окружающей среды. Для увеличения влажности наружного воздуха в районах с жарким сухим климатом рекомендуется непосредственно рядом со зданиями размещать бассейны, фонтаны, системы адиабатического охлаждения с мелкодисперсным распылением воды. Создание вокруг зданий благоприятной среды позволит уменьшить энергозатраты на эксплуатацию систем искусственного микроклимата.
Основные положения по формированию микроклимата застройки в зависимости от специфики ландшафта сформулированы проф. Михеевым А.П. в [6] и приведены в табл.3.2.1. Их можно учитывать при определении участка для проектирования и строительства энергоэффективного здания.
| Элементы подстилающей поверхности | Закономерности формирования микроклимата |
| Вершины и открытые верхние части склонов | Днем температура воздуха на 2-4 °С ниже, чем в окружающей местности; в ясные тихие ночи на 1.5-2 °С тепле, чем на ровной поверхности и на 2-8 °С - чем на дне долин и у подножия склонов; суточная амплитуда колебаний температуры воздуха меньше, минимальные температуры выше, чем в долинах и котлованах; преобладают наиболее сухие и хорошо проветриваемые территории |
| Южные склоны | Максимальная дневная температура. За период с температурой воздуха более 10 °С получают тепла на 4-8 % больше; средние суточные температуры почвы на летний период выше, чем на северных склонах; влажность воздуха меньше; наиболее интенсивное таяние снежного покрова; ветровой режим зависит от ориентации по отношению к направлению ветра |
| Северные склоны | Наиболее холодные; за период с температурой воздуха более 10 °С получают тепла на 8-10 % меньше, чем на равнине; глубина снежного покрова больше, чем на южных склонах, сход его запаздывает на 14-15 дней; характер ветрового режима также определяется ориентацией по отношению к ветровому потоку |
| Наветренные и подветренные склоны | Наветренные склоны наиболее холодные, получают меньше осадков; имеют небольшую глубину снежного покрова. Подветренные юго-восточные, южные и юго-западные склоны наиболее теплые, имеют большое количество осадков |
| Долины, котлованы, нижние части склонов | Значительно большие суточные амплитуды колебаний температуры воздуха и меньшая температурная инверсия по сравнению с вершинами; долины, ориентируемые с запада на восток, освещены более равномерно, чем долины меридионального направления; существенное повышение относительной влажности воздуха, частое образование туманов, росы; небольшая глубина снежного покрова; плохие условия проветривания |
| Водоемы, моря, крупные озера, водохранилища | Весной и в начале лета водоем охлаждает прилегающую территорию, в конце лета и осенью утепляет; ночью вблизи водоемов температура воздуха на 2-3 °С выше, чем в нескольких километрах от берега; днем водоем понижает температуру воздуха на 2-4 °С; влияние водоемов проявляется в увлажнении воздуха и уменьшение запыленности; наблюдается уменьшение ветра днем и усиление ночью; в районах со слабыми ветрами (до 2 м/с) появляются и усиливаются бризы |
