ВЫБОР ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ПЛОЩАДОК ДЛЯ ЗДАНИЯ.
*ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ зданий и сооружений — строительные конструкции (стены, перекрытия, покрытия, заполнения проемов, перегородки и т. д.), ограничивающие объем здания (сооружения) и разделяющие его на отд. помещения. Основное назначение ограждающих конструкций — защита (ограждение) помещений от температурных воздействий, ветра, влаги, шума, радиации и т. п. (БСЭ.
При выборе архитектурного стиля, методов проектирования и строительства зданий люди всегда стремятся как можно эффективнее использовать свободное пространство, стройматериалы и энергию. По сложившейся традиции архитекторы и проектировщики ставят перед собой две главные цели: свести к минимуму ущерб, который может быть причинен экологическим характеристикам местности, и по возможности обогатить и украсить природную среду возводимыми постройками. Существует множество простых способов проектирования зданий, в которых энергия расходовалась бы экономно. Главное, пожалуй, заключается в том, чтобы не завышать предельные параметры при расчете систем отопления, охлаждения, освещения, а также при расчете самого здания на прочность. Уделив с самого начала больше внимания климатическим условиям и топографическим особенностям данной местности, можно будет затем в течение длительного времени извлекать из этого финансовую выгоду благодаря экономии невозобновляющихся видов топлива. Однако на сегодняшний день гораздо более важной является проблема переоборудования существующих зданий, которые были построены задолго до того, как родилась сама мысль о необходимсти экономии энергии в зданиях. Помимо решения вопросов, связанных с повышением энергетической эффективности конструкции здания и рациональным расходованием энергии, некоторые архитекторы, проектировщики и строители заняты поисками новых источников энергии для использования в зданиях, что позволило бы ослабить зависимость от невозобновляющихся энергоресурсов и уменьшить вред, наносимый их сжиганием окружающей среде. Из общего количества энергии, потребляемой во всех зданиях на территории США**, 14% приходятся на.
**33% всей потребляемой в США энергии приходятся на здания.
общественные здания*** (их общая площадь 2,2 млрд, м2) и 19% — на 73 млн. жилищ. Что же касается конечного потребления энергии в жилых и общественных зданиях, то 64% энергии расходуется на отопление и кондиционирование воздуха, 24% — на приведение в действие различных систем и устройств (включая водяное отопление, бытовые электроприборы, торговое и конторское оборудование), 12% —на освещение. Ежегодно число новых зданий в США возрастает, согласно оценкам, менее чем на 3%. Современная технология создает условия для рационального потребления энергии во вновь строящихся зданиях, однако при нынешних темпах обновления фонда зданий и реконструкции городов это вряд ли коснется большинства зданий прежде чем наступит ХХI столетие. Вот почему значительная экономия энергии, если вообще предполагается обеспечить ее к 2000 г. должна быть в основном достигнута посредством модернизации существующих зданий, а также усовершенствования инженерного оборудования и улучшения режимов его эксплуатации. Необходимо приложить максимальные усилия для того, чтобы побудить домовладельцев к выполнению мероприятий, способствующих экономии энергии. Можно без преувеличения утверждать, что форма многих современных зданий совершенно не соответствует природным условиям. Если к тому же учесть, что в настоящее время при проектировании зданий необходимо экономить место, бережно расходовать финансовые средства и стройматериалы, соблюдать эстетические требования, то станет очевидным, что экономия энергии вообще и электроэнергии в частности перерастает во все более серьезную проблему. Наибольшее количество энергии, потребляемое зданием, затрачивается на отопление; именно здесь и открывается широчайшие перспективы для экономии энергии в бытовом и коммерческом секторах. Чтобы уменьшить эти потери, необходимо повысить теплостойкость ограждения. Хотя в принципе можно полностью герметизировать здание, экономически это нецелесообразно. Поэтому важно установить допустимый уровень теплопотерь через наружные ограждения. Существует также целый ряд дополнительных методов экономии энергии — например, усиление теплоизоляции, изменение ориентации здания относительно стран света в процессе его проектирования, выбор типа остекления, повышение КПД отопительных устройств.
*** К этой категории в США относятся: служебные здания, крупные торговые помещения, учебные заведения, отели, банки, рестораны, зрелищные предприятия, библиотеки, церкви, лечебные учреждения, административные здания и т. п. (Прим. пер.
В последующих разделах этой главы рассматривается методика проектирования наружных ограждений и оценки их эффективности с точки зрения расхода энергии в здании.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В ЗДАНИИ.
Расход энергии в здании зависит от многочисленных отдельных факторов. Взаимосвязь их необходимо знать для того, чтобы, добиваясь экономии энергии, удовлетворить в то же время запросы людей, пользующихся зданием, решить эстетические и экономические проблемы.
Деятельность людей, занимающих здание.
Увеличение площади или кубатуры помещений сверх той нормы, которая в действительности необходима и достаточна для удовлетворения потребностей человека, приводит к удорожанию строительства и эксплуатации здания, так как при этом расходуется больше материалов и энергии. Поэтому следует отчетливо представлять себе, каковы запросы и нужды людей, находящихся в данном помещении, что такое физиологический и психологический комфорт. Расходование энергии системами, предназначенными для регулирования параметров окружающей среды, прямо пропорционально запросам людей, живущих или работающих в здании. Следовательно, решение проблемы заключается в том, чтобы ограничить энергопотребление в здании на экономически целесообразной и психологически приемлемой основе. Главным фактором, от которого зависит объем потребления энергии в здании, являются природно-климатические условия, имеюшие самое прямое отношение к теплопотерям и теплопритоку через ограждающие конструкции. Принудительная и естественная вентиляция воздуха, степень его чистоты, влажности также влияют на затраты энергии, необходимой для обеспечения требуемого микроклимата.
Климат и географическое положение местности.
Климат определяется как средние метеорологические условия в данной местности за многолетний период. Поскольку погода — это кратковременное состояние параметров атмосферы, таких, как температура воздуха, скорость ветра, интенсивность выпадения осадков, климат той или иной местности можно определить как обобщенную картину всех наблюдаемых здесь метеорологических явлений. Климатические условия всегда относительно стабильны; климат данной местности, несмотря на внезапные и сильные, хотя и непродолжительные, изменения погоды, характеризуется синоптической обстановкой, повторяющейся через определенные промежутки времени. В районах с жарким климатом иногда бывают холодные дни, в аридных зонах — периоды проливных дождей, а в районах с влажным климатом случаются продолжительные засухи. Тем не менее любое место на земном шаре отличается только ему одному присущим сочетанием холода и жары, дождливых, пасмурных п солнечных дней. Климат Земли зависит от сложного взаимодействия тепловых процессов, гравитационных сил, региональных различий в атмосферном давлении, температуры воздуха, топографии местности. Существующие здания и их формы также влияют на местный микроклимат. Проектировщик зданий хочет прежде всего знать, каковы предельные значения параметров атмосферы, от которых будут зависеть особенности конструкции здания и его использования, а также комфортное самочувствие людей. Он стремится получить как можно более обширную информацию о средней температуре воздуха, колебаниях экстремальных значений температуры, разности температур днем и ночью, влажности воздуха, условиях, могущих вызвать инфильтрацио и эксфильтрацию воздуха через ограждающие конструкции, количестве выпадающего снега и его распределении на местности, высоте в состоянии снежного покрова, выпадении града, об ураганах и грозах. Климатологические данные для любой местности можно получить в организациях, входящих в систему метеослужбы.
Инсоляция — это значение суммарной солнечной радиации (прямой, рассеянной и отраженной), поступающей на данную поверхность. В любой точке земного шара степень инсоляции зависит от нескольких факторов. Радиация, приходящаяся на единицу поверхности, перпендикулярной потоку солнечных лучей, всегда больше, чем приходящаяся на единицу горизонтальной поверхности; это объясняется кривизной поверхности Земли и наклоном земной оси. Вот почему солнечные коллекторы обычно устанавливаются под некоторым углом. Интенсивность солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, зависит также от состояния атмосферы, прозрачности воздуха, содержания водяного пара, взвешенных частиц пыли и продуктов сгорания. Так, например, солнечные лучи поглощаются и рассеиваются молекулами озона и частицами пыли. Разумеется, главный фактор, влияющий на интенсивность солнечной радиации — это продолжительность светлого времени суток, которая зависит от времени года. Теплоприток и теплопотери в любом здании зависят помимо всех прочих факторов также и от положения Солнца. Максимальная солнечная радиация приходится на поверхность, перпендикулярную потоку солнечных лучей, но из-за наклона оси участок земной поверхности, получающий максимальное количество солнечного ооблучения, периодически смещается то к северу, то к югу, между тропиками Рака и Козерога. В этом и состоит главная причина смены времен года.
Местоположение, ориентация и форма здания.
Расчеты оптимальной конфигурации жилых зданий, в ходе которых принимались во внимание как потери тепла зимой, так в поступления тепла летом, свидетельствуют о том, что для зданий, имеющих в плане прямоугольную форму, наиболее эффективной является ориентация их длинной оси по направлению восток запад. При этом восточная и западная стены получают максимальное количество солнечной радиации летом, поэтому их площадь желательно по возможности уменьшить. Южная и северная стены зимой подвергаются более интенсивному солнечному облучению, чем летом, а потому поверхность их следует увеличить. Здание можно также затенять для того, чтобы солнечной радиации подвергалась не вся его поверхность; это относится, в частности, к окнам. Мощеные или асфальтированные участки могут отражать солнечное тепло на стены ближайших зданий. Этого можно избежать, посадив кустарник и засеяв свободные участки земли травой. Степень поглощения или отражения тепловых лучей зависит также от цвета поверхности; например, окраска здания, особенно крыши, в светлый тон заметно снижает теплоприток. Участки, предназначенные для строительства прямоугольных в плане зданий, должны иметь такое соотношение между длиной и ширинои, чтобы здание благодаря своей конфигурации было в максимальной степени открыто солнцу и ветру. Выбор участка может, однако, привести и к тому, что в результате неудачной ориентации длинной оси здания ветер и солнце будут воздействовать на него отрицательно. Может оказаться целесообразным изменение конфигурации здания путем увеличения или уменьшения его высоты для того, чтобы извлечь максимальную «энергетическую выгоду» из расположения здания на данном участке. Ориентация каждой из четырех или более стен, а также крыши исключительно сильно сказываются на энергопотребленви, в зависимости от климатических условий и географического положения местности. Например, в любой климатической зоне США пологая крыша, обращенная на юг, будет подвергаться более интенсивной инсоляции. В районах с холодным климатом самые сильные ветры воздействуют на северную и западную стены.
Геометрическая форма здания.
Энергопотребление в здании зависит не только от его ориентации и площади наружных ограждений, но и от его геометрической формы. Если предоставляется возможность сэкономить электроэнергию благодаря использованию естественного освещения, то периметр здания следует увеличить. Это приведет к появлению таких разнообразных архитектурных решений, как соединенные между собой дворы, атриумы, световые шахты, и к строительству много- и малоэтажных зданий со световыми фонарями на крышах. Геометрическая форма здания, которая препятствовала бы как нежелательным теплопоступлениям, так и излишним теплопотерям позволяет сократить расход энергии. Невысокое здание, квадратное в плане, имеет меньшую наружную поверхность, чем прямоугольное здание с той же полезной площадью; благодаря этому оно в меньшей степени подвержено температурным воздействиям окружающей среды (при прочих одинаковых природных условиях). Число этажей влияет, однако, на соотношение между кубатурой здания и площадью его наружной поверхности. Многоэтажные здания имеют сравнительно меньшую по размерам крышу, поэтому их поверхность менее подвержена теплопритоку. С другой стороны, на высокие здания, как правило, сильнее воздействует ветровой напор, в результате чего увеличивается инфильтрация и соответсвенно возрастают теплопотери (влияние ветра на тепловой баланс здания рассматривается ниже). Мало вероятно, чтобы высокие здания удалось эффективно затенить или экранировать от ветра окружающими постройками и деревьями. Обычно такие здания приходится оснащать различными вспомогательными механическими устройствами в том числе лифтами, а также устраивать в них более разветвленную систему вытяжных каналов. Малоэтажные дома могут иметь большее по сравнению с многоэтажными зданиями соотношение между площадью крыши и стен, в связи с чем они могут характеризоваться большими удельными нагрузкам на системы отопления и кондиционирования. В этом случае необходимо обращать особое внимание на тепловые характеристики крыши. Если известно, на какой географической широте находится район застройки, можно заранее предугадать, как будет воздействовать на здание солнечная радиация в любой момент времени. Располагая подобными данными, можно с большой степенью точности рассчитать вынос солнцезащитного козырька (обычно это — горизонтальный элемент здания), ширину вертикальных затеняющих ребер и экранов, расположение внутреннего двора либо длину теней, отбрасываемьих в течение дня деревьями и соседними постройками. Знание траектории кажущегося движения Солнца необходимо и для того, чтобы правильно спроектировать наружные ограждающие конструкции. Существуют два основных вида затеняющих устройств: козырьки — горизонтальные выступы, предназначенные для защиты от вертикально падающих солнечных лучей, и экраны (ребра) — вертикальные элементы, которые служат преградой для горизонтальных лучей. Очень важно проверить затеняющее действие солнцезащитных приспособлений в периоды летнего и зимнего солнцестояния, а также весеннего и осеннего равноденствия.
Использована литература: К.Смит «Эффективное использование электроэнергии», М. Энергоиздат, 1981.
Популярные статьи.
