Светопрозрачные ограждения жилого дома в решении проблемы сбережения энергии

В статье описывается влияние характера светопрозрачных ограждений на энергопотребление жилых и обществен­ных зданий.

This paper describes the effect of the nature of translucent barriers to consumption of residential and public buildings.

Введение

Светопрозрачные ограждения: окна, витражи или осте­кленные двери, отделяющие внутренний эксплуатируемый объем здания от наружной среды оказывают непосредствен­ное влияние на количество потребляемой зданием энергии, как тепловой, так и электрической. За последние годы написа­но много материалов [1,2,3,4] об ориентации светопрозрачных ограждений по сторонам света, о выгодах пассивного исполь­зования тепла солнечной энергии в общей системе отопления зданий, однако в отечественной практике строительства в этом направлении заметных изменений нет. Отчасти это про­исходит из-за инертности мышления и недостатка знаний, от­части из-за отсутствия данной информации в форме доступ­ной для понимания специалистами, которые непосредственно принимают решения.

Целью данной публикации является изложение инфор­мации о возможностях сбережения энергии пассивными спо­собами при помощи рационального архитектурного проек­тирования светопрозрачных наружных ограждений жилых и общественных зданий.

Основная часть

Сложившаяся ситуация. Основными функциями лю­бого светопрозрачного ограждения являются: обеспечение связи пользователя с внешней средой, доступ естественного солнечного света и тепла солнечной радиации внутрь экс­плуатируемого объема здания. Выполняют ли эти функции выполнить большая витрина, заклеенная сплошным реклам­ным плакатом на нижнем уровне узкой улочки (Рис. 1), или огромный сильно тонированный витраж на северной сторо­не офисного здания? Архитектор в процессе проектирования определяет такие параметры светопрозрачного ограждения как: площадь проема, его форму, расположение на фасаде и в помещении, ориентацию, рисунок переплетов, тонировку. Все эти характеристики непосредственным образом влияют на энергетический баланс поступления и потери энергии. К сожалению, в процессе проектирования окон архитекторы в первую очередь руководствуются художественным реше­нием фасада, во вторую - обеспечением освещенности, а вот до третьей очереди: решения вопросов сбережения энергии, часто и вовсе не доходит дело. Главным аргументом, за кото­рым скрывается незнание, служит ошибочное мнение о воз­можном ухудшении архитектурного облика объекта в случае

использования пассивных энергосберегающих приемов. Вме­сте с тем, передовой мировой опыт свидетельствует как раз об обратном: художественные качества архитектурного со­оружения могут быть выражены значительно эффектнее при продуманном использовании приемов пассивного энергосбе­режения. При чем, следует иметь в виду, что речь идет не только об уникальных общественных зданиях, но и о массо­вом строительстве панельных многоэтажных домов, постро­енных по одной и той же серии с одинаковыми площадями остекления на южной и на северной стороне.

Ориентация оконных проемов по сторонам света и расположение на фасаде. В ходе данного исследования был произведен расчет баланса потерь и поступлений тепла через наружное остекление в течение отопительного периода. В ка­честве исходных были использованы данные изложенные в [1,5,6,7] При минимально допустимом на сегодняшний день термическом сопротивлении светопрозрачного ограждения 1 м2^°С/Вт тепловой баланс составляет:

Для остекления южной ориентации в климатических ус­ловиях Минска

Теплопоступления от солнечной радиации - 191кВт*ч/м2.

Трансмиссионные теплопотери - 93кВт*ч/м2.

Значение баланса - 98 кВт*ч/м2.

Для остекления северной ориентации в климатических условиях Минска

Теплопоступления от солнечной радиации - 46кВт*ч/м2.

Трансмиссионные теплопотери - 102кВт*ч/м2.

Значение баланса - 56 кВт*ч/м2.

Остекление южных ориентаций (юг, юго-восток, юго-за­пад) наиболее выгодно с точки зрения энергосбережения и пассивного использования солнечной энергии в отопитель­ный период в условиях Беларуси.

Соотношение площади глухих и прозрачных элемен­тов. Любое светопрозрачное ограждение можно условно раз­делить на две основные части с разными характеристиками - глухую и прозрачную. Глухая часть образована конструк­циями переплетов, стоек, перекладин (ригелей), отливами, доборными элементами и т.д. Используемыми материалами для них служат: дерево, пластик, алюминий либо сталь. Про­зрачная часть представляет собой остекление либо светопро­пускающее заполнение из другого материала, например, по­ликарбоната. Если задуматься о функциях, которые должны выполнять окна и витражи в белорусском климате, то можно предположить что они должны пропускать внутрь помещений и удерживать как можно больше рассеянного не слепящего света на протяжении всего года и как можно больше тепла в отопительный период. Также они должны соответствовать нормативным требованиям по термическому сопротивлению [8]. Таким образом, с точки зрения получения энергии солнца, как в виде света, так и в виде тепла, полезной является лишь прозрачная часть. Функция глухой части сводится к обеспече­нию необходимого термического сопротивления и конструк­тивной целостности изделия. Безусловно, рисунок переплетов также является составным элементом общего архитектурно­художественного решения фасада. Соответственно, можно сделать вывод, что с позиций энергосбережения доля глухой части в общей площади светопрозрачного ограждения долж­на быть снижена до необходимого и достаточного минимума.

Рисунок 1. Нерациональное, энергозатратное использование светопроемов в объектах г. Минска

В соответствии с методикой расчета, описанной в [9], со­отношение площадей глухой и прозрачной частей ограждения прямо пропорциональны количеству тепловой энергии про­никающей внутрь помещения, через световой проем. Влияние глухих конструкций переплетов учитывается в виде просто­го коэффициента от 0 до 1, т. е. если глухие конструкции за­нимают 30 % площади проема, то 30 % энергии приходящей к вертикальной незатененной плоскости светопрозрачного ограждения, автоматически будут отражены наружу и станут бесполезными. Это обстоятельство является справедливым для энергии, как в виде света так и в виде тепла, для огражде­ний любой ориентации.

Исходя из этого, можно сделать некоторые выводы, о том, как архитектор в процессе проектирования светопрозрачных ограждений может влиять на энергобаланс здания.

Большая доля глухих конструкций в общей площади све­тового проема негативно сказывается на поступлении тепла и света внутрь здания. Оптимальным соотношением глухой и прозрачной частей будет диапазон от 10x90% до 30x70%.

При выборе устройства нескольких малых световых про­емов либо одного большого той же площади, предпочтение следует отдавать устройству большого, так как в нем воз­можно уменьшить сравнительную долю глухой части. (Рис.2)

Более эффективными являются светопроемы с равными либо близкими к равным сторонами. Доля глухой части в уз­ких окнах будет больше.

При проектировании не стоит использовать в конструк­ции окон “доборные профили”, дублирующие основные пере­плеты у верхних и боковых откосов, так как они увеличивают площадь глухих конструкций в заполнении светового проема. К тому же данный вариант конструкции ведет к существенно­му удорожанию всего изделия.

Тонкие глухие сандвич панели, эмалит, стекла, оклеенные непрозрачными пленками, и т.д. не должны использоваться в качестве заполнений в световых проемах. Основной функ­цией этих решений является маскировка глухих утепленных участков наружных ограждений здания.

Расположение в конструкции стены. Толщина наруж­ных стен образующих тепловую оболочку отапливаемого зда­ния на современном этапе развития строительных технологий колеблется в диапазоне от 100 до 600 мм. За 100 мм можно при­нять самую слабую сандвич-панель, за 600 мм многослойную стену из ячеистого бетона с наружным слоем эффективного утеплителя. Таким образом, при проектировании, оконный блок, дверь или витраж могут быть установлены на разном расстоянии от наружной поверхности стены. Чтобы принять верное решение при проектировании рекомендуется следо­вать простому правилу: “Тепловая оболочка здания должна быть максимально-компактной и должна иметь минимальное количество разрывов”. Это касается не только контура стен в плане, но и различных мелких деталей, таких, в частности, как установка светопрозрачных ограждений. На практике это зна­чит, что слои конструкции наружных ограждений, имеющие наибольшее термическое сопротивление должны образовы­вать единую непрерывную оболочку без западов и выступов. Для светопрозрачных участков наибольшим термическим сопротивлением в конструкции будет обладать само заполне­ние. Из чего следует простой вывод -светопрозрачное ограж­дение должно располагаться максимально близко к плоскости слоя утеплителя либо совпадать с ним, таким образом, тепло­вая оболочка здания в данном месте станет непрерывной и возможные дополнительные теплопотери через откосы будут сведены к минимуму. Данное правило легко решаемо в случае с многослойной стеной, в которой один из слоев имеет значи­тельно большее термическое сопротивление, чем другие. Это правило подтверждается выводами исследования “Института пассивного дома” в Дармштадте. При проектировании наруж­ных стен из сандвич-панелей, задача предельно упрощается, так как светопрозрачные конструкции сопоставимы по тол­щине с глухими и вариант установки очевиден. При проекти­ровании наружных стен однослойными из различных видов ячеистых бетонов [по мнению автора] светопрозрачные кон­струкции рациональнее устанавливать на середине глубины проема с дополнительным утеплением наружных откосов.

Солнцезащита. На сегодняшний день существует огром­ное многообразие солнцезащитных устройств и решений: внутренние и наружные, стационарные и мобильные жалю­зи, горизонтальные козырьки, вертикальные ребра, тониров­ка самого светопрозрачного материала в массе и различные тонированные пленки, сложные жалюзи рассеивающего дей­ствия, устройства для рассеивания прямых солнечных лучей и передачи их вглубь помещения, всевозможные шторы и за­навески. Так как в условиях Беларуси год можно разделить на два довольно четких временных периода с разными характе­ристиками - теплый и отопительный, то и характеристики солнцезащитных устройств должны различаться в эти два пе­риода. В теплый период солнцезащитные устройства должны предохранять внутренний эксплуатируемый объем здания от перегрева и слепящего эффекта прямых солнечных лучей, то есть полезной в этот период является рассеянная солнечная радиация с минимальной тепловой составляющей. В отопи­тельный период здание испытывает наибольшую потребность в солнечном тепле и свете, то есть любое стационарное солн­цезащитное устройство будет являться помехой.

1а) - Окно с двумя открывающимися створками, S светопроема - 2.25 м2, доля глухой части - 33% (0.75 м2); 1б) - Два окна с открывающимися створками, S светопроемов - 2.25 м2, доля глухой части - 36 % (0.82 м2)
2а) - Окно без открывания, S светопроема - 1.125 м2, доля глухой части - 19.5% (0.22 м2); 2б) - Два окна без открываний, S светопроемов - 1.125 м2, доля глухой части - 25 % (0.28 м2)

Рисунок 2. Доля глухой части в площади светопроемов разных размеров

 

Рисунок 3. Неправильное использование солнцезащитных устройств, ведущее к дополнительному энергопотреблению в объектах г. Минска

Отсюда следует первый вывод - солнцезащита должна быть мобильной и должна свободно регулироваться изнутри эксплуатируемого объема здания, чтобы иметь возможность реагировать на сезонное и суточное изменение климатических условий. Таким образом, из списка можно исключить все ста­ционарные решения такие как: конструктивные ребра на фаса­дах, наружные стационарные жалюзи, сильную тонировку сте­кол и т.д., как непригодные для условий нашего климата.

Вторым важным условием, которое должно соблюдаться при проектировании солнцезащитных устройств, является адаптация их к характеру воздействия прямых солнечных лу­чей. Самой распространенной ошибкой является повсемест­ное использование внутренних вертикальных жалюзи. Их устанавливают на проемах фасадов любых ориентаций, вклю­чая и северные, там, где солнцезащита не нужна по причине отсутствия прямой солнечной радиации. В течение светового дня угол склонения прямых солнечных лучей сильно меня­ется. Так, в июне на широте Минска с утра до полудня и с полудня до вечера солнце меняет свой угол наклона к поверх­ности земли приблизительно от 0 до 60 град и от 60 до 0 град, двигаясь по небосклону с востока на запад соответственно. Солнцезащитные устройства разделяют на вертикальные, подходящие для восточных и западных фасадов, и горизон­тальные, соответствующие южным ориентациям. Однако на улицах Минска довольно трудно встретить рациональные ре­шения решения (Рис.3).

Заключение

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

•   Сложившаяся ситуация в проектировании и свето­прозрачных ограждений жилых и общественных зда­ний не удовлетворяет современным требованиям по сбережению энергии; потенциал предоставленный в наше распоряжение самой природой и климатом ре­гиона Беларуси практически не используется.

•   При проектировании светопрозрачных ограждений приоритет должен отдаваться южно-ориентирован­ным окнам большей площади.

•   Площадь прозрачных фрагментов в конструкции за­полнения светопроема должна быть максимально­возможной.

•   Положение светопрозрачной конструкции в толщине стены должно быть максимально приближено к ос­новным теплоизоляционным слоям

•   На сегодняшний день, наиболее целесообразными для использования в климате Беларуси можно счи­тать внутренние регулируемые солнцезащитные

устройства (жалюзи, рольшторы и т.д.) установлен­ные в светопроемах с учетом характера воздействия прямых солнечных лучей.

Распространенное заблуждение о том что, использование пассивного солнечного отопления абсолютно не эффективно в северных широтах в регионах с пасмурными зимами продол­жает тормозить развитие энергосбережения в строительстве жилых и общественных зданий. В этой ситуации достаточно вспомнить один интересный факт, отражающий современ­ную действительность: Финляндия вырабатывает солнечной энергии больше чем государство Израиль. А это значит, что все дело лишь в знании предметной области и желании ме­нять сложившуюся ситуацию.

Список использованной литературы

1.  Данилевский, Л.Н. Архитектура и энергоэффективность зданий / Л.Н. Данилевский // Архитектура и строитель­ство. - 2009. - № 10. - 3 с.

2.  Мамедов, Н.Я. Использование солнечного тепла для ча­стичной компенсации теплопотерь зданий в условиях Азербайджанской Республики / Н.Я. Мамедов, А.Б. Зей- налов. - Баку : Проблемы энергетики, 2005. - № 2. - 6 с.

3.  Holloway, D.R. SUN TEMPERED ARCHITECTURE A

Simple Design Methodology For Passive Solar Houses /D.R. Holloway [Electronic resource].- 2009- Mode of access: http        ://wwwdennisrhollowayarchitect. com/SimpleDesign

Methodology .html- Date of access 19.04.11.

4.  Luce, B. Passive Solar Design Guidelines for Northern New Mexico /B. Luce [Electronic resource]. -2004- Mode of access : ]]>http://www.nmsea.org/Curriculum]]> /Courses/Passive_Solar_ Design/Guidelines/Guidelines.htm - Date of access 19.04.11.

5.  Справочник по климату СССР. Вып. 7: Белорусская ССР, ч.1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнеч­ное сияние. - Л. : Гидрометеоиздат, 1966. - 68 c.

6.  Круглова, А.И. Климат и ограждающие конструкции /

А.И. Круглова. - М. : Изд-во литературы по строитель­ству, 1970. -168 c.

7.  Елагин, Б.Т. Инсоляционные расчеты в архитектуре: учебное пособие для студентов высших учебных заведе­ний /Б.Т. Елагин, М.В. Прядко. - ДГАСА. - Макеевка, 2003. - 47 c.

8.  Изм. № 2 Строительная теплотехника: ТКП 45-2.04-43­2006 - Введ. - 07.01.2010. - Минск: Государственное пред­приятие “Стройтехнорм” Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2010 - 1c.

9.  Староверов, И.Г. Внутренние санитарно-технические устройства. ч.1 Отопление в 3 ч./И.Г. Староверов [и др.]; под ред. И.Г. Староверова, Ю.И. Шиллера - 4-е изд., пере - раб. и доп. - М. : Стройиздат, 1990. - 278 с.