Методика архитектурного проектирования энергосберегающих жилых зданий

УДК 728.84

В настоящей статье даны предложения по методике архитектурного проектирования энергосберегающих жилых зданий различной этажности и различных классов по энергопотреблению, которая может быть рекомен­дована к применению как практикующим архитекторам-проектировщикам в реальной практике проектирования, так и студентам-архитекторам в учебном архитектурном проектировании энергоэффективных жилых зданий.

Класс здания по потреблению тепловой энергии на отопление и вентиляцию

Наименование стандарта

Величина удельного расхода тепловой энергии за отопитель­ный период на отопле­ние и вентиляцию кВт*ч/м2 отапливаемой площади

C

Минимальные требования*

75-85

B

Здание с низким энергопотреблением (Lowenergy building)

40-50

A

“Трехлитровый” дом

25-35

A+

“Пассивный” дом (Pas­sive house)

<15

* Назначение класса возможно только для малоэтажных зданий

Таблица 1 - Классификация жилых зданий по потреблению тепло­вой энергии на отопление и вентиляцию

Введение

Строительство энергосберегающих жилых зданий в ус­ловиях отсутствия дешевых энергоресурсов является важ­ной государственной задачей. Одним из главных инстру­ментов снижения энергопотребления является принятие на проектной стадии архитектурных решений проектируе­мого объекта, обоснованных с позиций энергопотребления [1,2,3]. В настоящее время энергоэффективность в жилых зданиях обеспечивается преимущественно применением фрагментарных технических и технологических приемов и средств. Действенные и наиболее экономичные архитек­турные мероприятия в должной степени не используются. Результаты натурных обследований жилых домов в Минске и анализ проектов свидетельствуют, что часто еще на про­ектной стадии принимаются неоправданные архитектур­ные решения. Они не отвечают в полной мере требованиям экологии и энергоэффективности, конкретным градостро­ительным и природно-климатическим условиям площадки строительства, приводят к нарушениям условий эксплуата­ции жилья и дополнительным конструктивно-технологи­ческим мероприятиям по сбережению энергии в зданиях. Назрела необходимость кардинального изме­нения существующих методов архитектурно­го проектирования жилых зданий, разработки нового научно обоснованного экологического подхода к формированию архитектуры жилых зданий с целью обеспечения в них архитектур­ными методами не только благоприятной физи­ческой среды, высокого уровня комфорта про­живания, условий экологической безопасности, но и обеспечения требований энергоэффектив­ности. Для выбора рациональных энергосбере­гающих архитектурных решений жилых зда­ний необходимо проведение на предпроектной и проектной стадиях ряда последовательных методически увязанных действий, обеспечива­ющих получение энергоэффективной модели жилого здания. На данный момент такая мето­дика, отвечающая климатическим и градостро­ительным условиям Республики Беларусь, либо близким к ним условиям, отсутствует. Изла­гаемая ниже методика архитектурного проек­тирования энергосберегающих жилых зданий апробирована автором при проектировании ряда жилых зданий и рекомендуется для использования в практической проектной деятельности при разработке ар­хитектурной части проекта жилого здания.

Основная часть

Методические положения по проведению предпроект­ных исследований и проектированию. Работу рекоменду­ется проводить поэтапно.

Этап 1. Определение класса жилого здания по по­треблению энергии.

Класс жилого здания по потреблению энергии опре­деляется по буквенной шкале от G до A+ [4] в зависимо­сти от его энергетических показателей. В климатических условиях Беларуси основным показателем энергопотре­бления является удельный расход тепла на отопление и вентиляцию здания за отопительный период. Достижение характеристик и качеств этого класса будет являться це­лью процесса проектирования, и от него будут зависеть многие архитектурные, инженерные и конструктивные решения здания: форма объема, конфигурация плана, пла­нировочное решение, эффективность систем отопления и вентиляции, детальные и узловые решения и т.д. При проведении этапа рекомендуется применять метод логическо­го анализа.

Для определения класса здания по потреблению энергии возможно использование как нормативной клас­сификации, изложенной в [4], так и классификации, пред­ложенной автором. Нормативная классификация предъяв­ляет менее строгие требования к малоэтажным зданиям, вследствие чего энергозатратный жилой дом может быть отнесен к более высокому классу по энергопотреблению чем тот, которому он соответствует. Авторская классифи­кация приведена в таблице 1.

Этап 2. Анализ участка строительства.

В ходе проведения данного этапа необходимо опреде­лить зону возможного размещения проектируемого жилого здания. Ограничениями в данном случае могут служить: красные линии, проходящие по участку, санитарно-за­щитные зоны различных объектов, нормативные отступы от фундаментов до инженерных сетей, противопожарные и инсоляционные разрывы между зданиями и т.д. После определения ограничений на участке должно остаться зам­кнутое пятно либо несколько пятен, как правило, ломаной формы, в пределах которых возможна посадка проектиру­емого здания. Данный этап проводится при проектирова­нии любого жилого здания, вне зависимости от степени его энергоэффективности. При проведении этапа применяются методы логического и структурного анализа.

Этап 3. Анализ градостроительной ситуации.

3.1 В результате анализа градостроительной ситуа­ции необходимо установить следующие характеристики: тип, функциональное назначение и этажность окружа­ющей застройки, положение здания на рельефе, наличие либо отсутствие зеленых насаждений, значения разрывов между фасадами проектируемого здания и окружающими его крупногабаритными объектами. Возможные варианты размещения проектируемого жилого здания в градострои­тельных ситуациях приведены в таблице 2.

Каждая характеристика будет вносить свои специфические коррективы в фоновые климатические воздействия на проектируемое здание. Проведение этих операций со­пряжено с использованием метода структурного анализа.

3.2 На этом этапе проектирования также осуществля­ется построение трехмерной модели окружающей градо­строительной ситуации и проектируемого здания в виде “габаритного контейнера” (упрощенного геометрического объема с максимально-возможными размерами, соответ­ствующими заданию на проектирование и вписывающи­мися в зону определенную на этапе 2) Выполнение трех­мерной модели возможно в любом трехмерном редакторе, способном моделировать естественный солнечный свет: Autodesk AutoCad (3D), Autodesk Revit, ArchiCad Grafisoft, Autodesk 3D Studio Max. Однако наиболее простым, удобным и интуитивно-понятным для архитектора-про- ектировщика на сегодняшний день является Google Sketch Up. Для точного моделирования солнечного освещения с привязкой к географическому положению объекта не­обходима установка дополнительного приложения Open Studio. На данном этапе должен быть использован метод трехмерного моделирования.

Положение здания на рельефе

Этажность окружающей застройки

Тип окружающей застройки

Функциональное назначение окружающей застройки

Наличие зеленых насаждений

Разрывы от фасадов здания до ближайших крупных объектов м

На ровном участке

На возвышенности

На южном cклоне

На северном склоне

На западном склоне

На восточном склоне

Разреженная малоэтажная застройка

Малоэтажная застройка

Застройка средней этажности

Многоэтажная застройка

Смешанная застройка

Усадебная застройка

Строчная застройка

Квартал

Незамкнутый квартал

Микрорайон

Жилая застройка

Общественно-жилая застройка

Производственно-жилая застройка

Застройка со смешанными функциями

Внутридворовые насаждения

Парк

Сквер

Лесопарк/лесной массив

Ю_____

ЮВ____

ЮЗ____

В_____

З______

С_____

СВ____

СЗ____

Таблица 2 - Характеристики градостроительной ситуации

Этап 4. Анализ климатических воздействий.

1. Необходимо проанализировать влияние фоновых климатических факторов, влияющих на энергопотребле­ние здания с учетом корректировок вносимых характери­стиками градостроительной ситуации, определенными на этапе 3. Обязательной оценке должны быть подвергнуты три основных типа воздействия: солнечная радиация, воз­действие ветра, воздействие влаги.
2. Солнечная радиация. При оценке данного типа воз­действия, необходимо проанализировать, каким образом будет происходить облучение различных фасадов здания прямыми солнечными лучами. Также необходимо оценить какая часть небосвода для различных фасадов здания бу­дет заслонена окружающими крупными объектами. Оценку открытости небосвода не требуется выполнять точно, так как это затруднительно сделать, используя инструменты, доступные архитектору. Достаточно отнести ситуацию к одному из трех вариантов: небосвод для фасада открыт, частично перекрыт, значительно перекрыт. Впоследствии при определении площадей остекленности максимальные площади светопроемов следует назначать на наиболее от­крытых и незатененных фасадах южной, юго-восточной и юго-западной ориентации.
3. Ветровое воздействие. Анализ должен быть про­изведен с учетом фоновых характеристик: направления, скорости и повторяемости ветра, а также их корректировок вносимых окружающей застройкой и рельефом местности. Необходимо оценить какому типу воздействия: лобовому, скользящему или смешанному будут подвергаться раз­личные фасады здания в раз­личные периоды года. Также необходимо проанализировать насколько интенсивным может быть это воздействие. При ар­хитектурном проектировании нет необходимости в точных математических оценках, сле­дует определить, каким будет то или иное ограждение: за­щищенным, незащищенным, частично защищенным. Сте­пень защищенности следует определять по величине близ­лежащих крупногабаритных объектов и расстояниям до них от исследуемого фасада.

4.4 Воздействие атмос­ферных осадков. Необходимо выявить фасады подвержен­ные воздействию косых дож­дей и мокрого снега и их ори­ентацию. Анализ должен быть основан на фоновых климати­ческих характеристиках направления, скорости и повторя­емости ветра при косых дождях в течение всего года, без учета градостроительной ситуации.

Этап 5. Определение рациональной ориентации здания по сторонам света.

Постановка здания осуществляется, как правило, в со­ответствии с градостроительным планом. Однако следует также рассматривать варианты посадки здания, повыша­ющие его энергоэффективность, учитывая необходимость формирования улиц и повышения эстетических характе­ристик застройки в целом. При отсутствии с южной сторо­ны проектируемого здания крупных объектов, способных создавать прямое затенение значительной площади южного фасада проектируемого здания, предпочтение следует отдавать широтной ориентации, проектируемого объекта. При невозможности организовать широтную ориентацию здания, ввиду особенностей участка строительства, либо из-за затеняющих объектов, ориентация должна быть при­нята диагональной. Меридиональную ориентацию жилого здания стоит применять в исключительных случаях, когда иное решение не возможно.

Тип наружного ограждения

Этажность

здания

Мин. требо­вания: класс C

Здание с низ­ким энерго- потр. (Lowen- ergy building): класс B

“трех литр. дом клас A

“Пассивный до (Passiv house) клас A+

Совмещенная кровля / чердач­ное перекрытие

Малоэт.

6

8-9

10-11

13-15

Многоэт./ средней эт.

-

6

8

9-10

Наружные стены

Малоэт.

3.2

5-7

9-10

11-13

Многоэт./ средней эт.

-

3.2

4

6

Заполнения про­емов (окна, две­ри, витражи)

Малоэт.

1

1.1

1.2-1.3

1.4-1.5

Многоэт./ средней эт.

-

1

1.2

1.3

Слой утепле­ния в полах по грунту

Малоэт.

нн

1-1.5

2-3

4-6

Многоэт./ средней эт.

-

нн

2

3-4

нн - не нормируется

Таблица 3 - Рекомендуемые значения приведенного сопротивления тепло­передаче наружных ограждающих конструкций для различных классов жилых зданий.

Этап 6. Выбор конфигурации плана и размещение здания на участке.

Конфигурация плана здания должна представлять со­бой наиболее компактную замкнутую фигуру с размерами, ограниченными заданием на проектирование, типом жило­го здания и свободной зоной определенной на этапе 1. При возможности увеличения протяженности фасада здания, об­ращенного на юг, и отсутствии затеняющих объектов с юж­ной стороны, протяженность может быть увеличена, даже если это повлечет ухудшение компактности. Проектируемое жилое здание, при возможности должно быть расположено таким образом, чтобы с его южной стороны размещалась свободная от застройки и крупных объектов площадка (тер­ритория), исключающая затенение выгодных для получения солнечного тепла фасадов. Выполнение этапа должно осно­вываться на использовании методов графического моделиро­вания и логического анализа.

Этап 7. Определение наиболее выгодных для осте­кления фасадов.

В климатических условиях Республики Беларусь наи­более выгодными, с точки зрения солнечных теплопосту­плений в отопительный период, и климатизации здания на протяжении всего года будут являться следующие ориен­тации: Ю, ЮВ, ЮЗ в приведенной последовательности по степени эффективности. Из них необходимо выбрать для организации наибольших площадей остекления те, которые целесообразны, с точки зрения геометрии пятна здания на генеральном плане, и отсутствия затеняющих объектов, также необходимо обеспечивать рациональную планиров­ку секций и квартир, ориентацию жилых помещений ку­хонь, внутриквартирных лестниц и лестничных клеток.

Этап 8. Разработка объемно-планировочных решений.

1. Планировочные решения. При широтной либо диаго­нальной ориентации здания необходимо разместить макси­мально-возможное количество жилых помещений у фасадов с большой площадью остекления, определенных на этапе 7 (Ю, ЮВ, ЮЗ). Снижению энергопотребления здания будет способствовать размещение у фасадов этих ориентаций не­глубоких гелиотеплиц [5]. Подсобные, санитарно-гигиени­ческие помещения, все или большую часть кухонь, а также вертикальные и горизонтальные коммуникации (галереи, лестницы, лестничные клетки, и лифтовые шахты) необхо­димо разместить у фасадов: С, СЗ, СВ ориентаций.

При меридиональном размещении проектируемого жилого здания на местности необходимо расположить наи­большее количество жилых помещений у торцевого южного фасада с большой площадью остекления. Северный торце­вой фасад должен иметь минимальную площадь остекления. По этой причине торцевые секции должны иметь различ­ное планировочное решение.

Источники внутреннего тепла: ка­мины, печи, отопительное оборудова­ние, кухонные плиты и т.д. должны располагаться у внутренних стен в се­верной либо центральной части здания.

Размещение данных источников тепла у наружных стен не рекомендуется.

1. Решение объема здания. Жилое здание должно иметь как можно более компактную форму отапливаемого объ­ема, с минимальным количеством вы­ступов и западов во всех трех измерени­ях, обусловленную пятном застройки, полученным на этапе 2, классом здания и заданием на проектирование.

Выполнение данного этапа включает в себя использо­вание методов графического и трехмерного моделирования.

Этап 9. Разработка эскиза художественного решения.

Для разработки архитектурно-художественного реше­ния здания, выбора композиционных приемов и средств, определения архитектурных деталей необходимо:

1. Выполнение эскиза в ручной графике. В соответ­ствии с полученными на предыдущих этапах исходными данными, заданием на проектирование композиционным и историческим контекстом окружающей застройки необ­ходимо выполнить одно или несколько эскизных изобра­жений жилого здания в ручной графике.
2. Выполнение трехмерного эскиза. Затем на основа­нии ручного эскиза должен быть выполнен эскиз в трех­мерной графике. Наиболее подходящим для этого прило­жением будет являться Google Sketch Up.

Примеры данных эскизов приведены на (Рис.1)

Рисунок 1 - Эскизы художественного решения малоэтаж­ного жилого здания и жилого здания средней этажности.

Этап 10. Определение требований к наружной обо­лочке здания.

В зависимости от класса здания по этажности и опре­деленного на этапе 1 класса по потреблению энергии на данном этапе проектирования необходимо определить: требуемые значения приведенного сопротивления тепло­передаче наружных ограждающих конструкций, требо­вания к типу пароизоляции и гидроизоляции кровли, требования к светопропусканию и теплопропусканию светопрозрачных конструкций. Также, основываясь на ре­зультатах этапа 4, необходимо определить требования к ветрозащите и влагозащите различно ориентированных фасадов. Значения приведенного сопротивления тепло­передаче, соответствующие различным классам зданий по этажности и энергопотреблению, приведены в таблице 3. Приведенные показатели основаны на результатах большого количества расчетов теплопотребления жилых зда­ний, проведенных автором.

Этап 11. Определение требований к интерьерным решениям.

1. Влияние на электропотребление системы освеще­ния. Цветовое решение поверхностей перегородок, стен и по­толков жилых помещений и кухонь с наибольшей нагрузкой на систему освещения должно быть выдержано в белом либо светлых тонах с большими значениями отражения света:
2. 4<р<0.75 и длиной волны 0.6-0.56мкм, 0.49-0.43мкм. Также можно использовать цветовую палитру RAL, для фоновых поверхностей RAL 1013, 1015, 7047, 9001, 9003, 9016 и анало­гичные им. Средние тона (0.2<р<0.4) не следует использовать при цветовом решении больших по площади плоскостей. Ис­ключения могут составить большие поверхности напольных покрытий, темные тона (р<0.2) должны быть использованы, лишь в качестве локальных акцентов. Подобный подход по­зволит сократить время использования искусственного осве­щения, а также снизить его установочную мощность.
3. Влияние на электропотребление бытового оборудо­вания. При выборе бытовых приборов, являющихся частью интерьерного решения (холодильники, стиральные машины, газовые и электроплиты, духовые шкафы, микроволновые печи), предпочтение должно быть отдано оборудованию с наиболее высокими классами энергоэффективности.

Этап 12. Определение требований к инженерному оборудованию.

В зависимости от класса здания по этажности и опре­деленного на этапе 1 класса по энергопотреблению, необ­ходимо определить: какие из инженерных систем должны быть установлены в жилом здании (таблица 4).

Этап 13. Контрольный расчет энергопотребления.

На данном этапе необходимо сделать проверочный расчет энер­гопотребления жилого здания для подтверждения заявлен­ного класса энергоэффективности объекта. Это может быть сделано как специалистом по проектированию отопления и вентиляции в соответствии с [3,4], так и самим архитектором при помощи специального программного приложения су­ществующего на сегодняшний день в Республике Беларусь. Таким приложением является Auditor Energo компании Sank- om, к сожалению, данное программное обеспечение является платным. Выполнение этапа сопряжено с применением мето­да математического моделирования.

Этап 14. Корректировка художественных и объем­но-планировочных решений.

В случае несоответствия результатов проведения этапа 13 заявленному классу энергопотребления объекта, архитектурные решения должны быть скорректированы таким образом, чтобы этот класс был достигнут.

Методика архитектурного проектирования энергос­берегающих жилых зданий предполагает поэтапное при­менение методов и приемов, направленных на получение достоверной объективной информации, необходимой для принятия обоснованных архитектурных решений, обеспе­чивающих достижение не только оптимальных функцио­нально-планировочных и архитектурно-художественных задач, но и низкое эксплуатационное энергопотребление жилого здания. Данная методика предлагается для вне­дрения в практику проектирования жилых зданий раз­личной этажности. Методика может быть использована при проектировании, индивидуальных жилых домов, блокированных жилых домов, а также многоквартирных жилых домов. При определенной корректировке методика также применима для других типов зданий. Кроме того методика предлагается для внедрения в процесс обучения студентов-архитекторов в высших учебных заведениях Республики Беларусь.

Инженерная система

Этажность здания

Мин. требования:

Здание с низки энергопотр.

“трехлитр.” дом:

“Пассивный дом

Мех. Вентиляция с рекуп. тепла

Малоэт.

да

да

да

да

Многоэт./ средней эт.

-

нет

п.р.

да

Светодиодное освещение

Малоэт.

р.

р.

да

да

Многоэт./ средней эт.

-

р.

р.

да

Система автоматизации (“Умный дом”)

Малоэт.

нет

нет

да

да

Многоэт./ средней эт.

-

нет

нет

да

Энергоактив. Устройства (гелиокол., фотэл. панели, ВЭУ)

Малоэт.

нет

р.

р.

р.

Многоэт./ средней эт.

-

нет

р.

р.

р. - рекомендуется
п.р. - по результатам расчета энергопотребления на этапе 13

Таблица 4 - Инженерные системы, применимые в различных классах жилых зданий.

 

Список использованной литературы

1. Файст, В. Основные положения по проектированию пассивных домов / В. Файст. Пер. с. нем. с доп. под ред. А. Е. Елохова Москва.: АСВ, 2008. 144 с.
2. Данилевский, Л.Н. Архитектура и энергоэффектив­ность зданий / Л.Н.Данилевский // Архитектура и строительство 2009.- № 10. - 3 с.
3. Тепловая защита зданий. Теплоэнергетические харак­теристики: ТКП 45-2.04-196-2010 - Введ. - 09.01.2010.
4. Минск: Государственное предприятие “Стройтех- норм”Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2010 - 23c.
5. Изм. №1 Тепловая защита зданий. Теплоэнергетиче­ские характеристики: ТКП 45-2.04-196-2010 - Введ.
6. 01.04.2013. - Минск: Государственное предприятие “Стройтехнорм” Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2013 - 11c.
7. Прокопенко, К.И. От лоджии к гелиотеплице / К.И.Прокопенко // Архитектура: сб. науч. ст. /БНТУ; под науч. ред. А. С. Сардарова. - Минск, 2012.- C. 107-113.
8. Прокопенко, К.И. Энергоэффективный малоэтажный жилой дом. Тенденции проектирования и строитель­ства / К.И.Прокопенко // Архитектура: сб. науч. ст. / БНТУ; под науч. ред. А. С. Сардарова. - Минск, 2013.- C. 113-118.
9. Круглова, А.И. Климат и ограждающие конструкции / А.И. Круглова - Москва: Издательство литературы по строительству, 1970. - 168 с.

Поступила в редакцию 4 августа 2014 г.