Концепция «умного дома» (smart house) кардинально изменила взгляды на принципы организации быта в современной квартире или коттедже. Технический прогресс позволил создать единый цифровой комплекс управления освещением и климатом, водо-, газо- и электроснабжением, системами видеонаблюдения и контроля доступа, охранно-пожарной сигнализацией, домашним кинотеатром и мультимедийной системой, предназначенной для распределения аудиои видеосигналов в помещении или за его пределами (мультирум).
Современные системы «умного дома» позволяют снизить потребление тепловой и электрической энергии, исключить утечку воды и газа из соответствующих систем отопления, водоснабжения и газовых коммуникаций, значительно повысить безопасность жильцов — например, обнаружить непредвиденное вторжение посторонних лиц на территорию участка или непосредственно в дом.
Естественно, такие системы управления и контроля должны иметь технико-экономическое обоснование. Стоимость соответствующего оборудования, его монтажа и обслуживания зависит от принятых инженерных решений.
Любой «умный дом» обязан быть прежде всего энергоэффективным, обеспечивая для своего владельца минимальные теплопотери и максимальное сбережение тепловой и электрической энергии. Поэтому большое значение для «умного дома» имеют объёмно-планировочные решения, закладываемые в проекте и направленные на повышение энергоэффективности здания:
- расположение помещений с окнами по отношению к странам света;
- коэффициент остеклённости, то есть отношение площади световых проёмов к площади наружных стен в помещении;
- теплотехнические показатели наружных стен, покрытий или чердачных перекрытий и окон;
- форма здания в плане;
- плотность застройки территории.
Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076–01 «Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий» [1] устанавливают гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки.
Инсоляция является наиболее важным фактором, оказывающим экологизирующее влияние на среду обитания человека, и должна быть использована в жилых, общественных зданиях и на территории жилой застройки.
Продолжительность инсоляции регламентируется в жилых зданиях, детских дошкольных учреждениях, общеобразовательных учебных учреждениях, а также начального, среднего, дополнительного и профессионального образования, школах-интернатах, детских домах и др.; лечебно-профилактических, санаторно-оздоровительных и курортных учреждениях, учреждениях социального обеспечения (домах-интернатах для инвалидов и престарелых, хосписах и др.).
Как известно, с 1995 года СНиП 11–3-79* [2] и позднее СНиП 23-02-2003 [3], СП 50.13330.2012 [4] было предусмотрено увеличение приведённого сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий (например, наружных стен) более чем в три раза, заполнений световых проёмов — в 1,1 раза.
В табл. 1 представлены теплотехнические показатели наружных ограждений зданий* в Москве и Московской области (при внутренней температуре в помещении tв = 20°C и последних данных tн5 = −25°C, tот.п = −2,2°C, Zот.п = 205 сут., градусо-сутки отопительного периода ГСОП = 4551).
Как видно, приведённые сопротивления теплопередаче заполнений световых проёмов Rокпр, принимаемые не менее рекомендуемых из условия энергосбережения, меньше соответствующих сопротивлений теплопередаче наружных стен Rнспр почти в шесть раз.
Следовательно, расчётные удельные тепловые потери q через наружные вертикальные ограждения современных жилых домов при коэффициенте остекления 10% будут меньше почти в 2,35 раза, при 40%-м остеклении — в 1,5 раза и при 70%-м остеклении — в 1,24 раза. Поэтому, как следствие, должна быть меньше тепловая мощность и, соответственно, стоимость систем отопления будет меньше в связи с уменьшением общей площади поверхности отопительных приборов и диаметров труб стояков и магистралей. Поэтому в СНиП 23-02-2003 [3] было предусмотрено ограничение площади светопрозрачных поверхностей.
Так, в жилых зданиях коэффициент остеклённости фасада должен быть не более 18% (для общественных — не более 25%), если приведённое сопротивление теплопередаче окон (кроме мансардных) меньше: 0,51 м²·°C/Вт при градусо-сутках 3500 и ниже; 0,56 м²·°C/Вт при градусо-сутках выше 3500 до 5200; 0,65 м²·°C/Вт при величине градусо-суток выше 5200 до 7000 и 0,81 м²·°C/Вт при градусо-сутках выше 7000. Допускается увеличивать площадь светопрозрачных ограждающих конструкций при приведённом сопротивлении теплопередаче указанных конструкций более 0,56 ( м²·°C)/Вт.
Фото 1. Здание «Роснано» как пример строения с высоким коэффициентом остеклённости
Многие современные здания продолжают проектировать и строить с повышенной площадью остекления (50% и более, фото1 и 2). Повышенное остекление можно считать допустимым в зданиях, имеющих большую глубину (например, в зданиях вокзалов, аэропортов, торговых центров с круглосуточной работой) и не имеющих рабочих мест вблизи окон.
Величина часовых тепловых потерь через 1 м² окна (средняя за отопительный период) незначительна и для Москвы составляет около 43 Вт/м². Но за один отопительный период величина тепловых потерь составит уже около 212 тыс. Вт/м² (в денежном выражении около 355 руб/м²).
С увеличением площади остекления не только увеличиваются тепловые потери через вертикальные наружные ограждения в холодный период года (и, следовательно, тепловая мощность системы отопления), но и теплопоступления за счёт солнечной радиации в тёплый период и, как следствие, капитальные затраты и стоимость эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
В тёплый период года через 1 м² площади окна (при отсутствии солнцезащитных устройств) в расчётные часы может поступать в помещение до 400–700 Вт и более тепловой энергии за счёт солнечной радиации, что почти в пять-восемь раз больше расчётных тепловых потерь в холодный период года. Это неминуемо приводит к перегреву помещений в тёплый и осенне-весенний периоды [5] и, соответственно, требует значительных капитальных вложений в установки обеспечения номинальных (допустимых или оптимальных) параметров воздуха и большие эксплуатационные расходы.
К сожалению, далеко не все здания имеют стационарные солнцезащитные устройства (СЗУ) — фото 1 и 2. В основном применяются внутренние жалюзи (располагаемые со стороны помещения, как на фото 1), что исключает в основном световой дискомфорт.
Фото 2. Помещение со сплошным остеклением
Теплопоступления за счёт солнечной радиации, прошедшие через заполнение световых проёмов, практически остаются в помещении. К наиболее эффективным стационарным солнцезащитным устройствам можно отнести разработанные Лабораторией светопрозрачных ограждений ЦНИИЭП учебных зданий шторы на основе полиэтилентерефталатной плёнки, располагаемой в межстёкольном пространстве в окнах с двойным остеклением.
Следует заметить, что многие здания имеют не совсем рациональную форму в плане и разрезе. Строятся здания и точечного типа, и вытянутые, узкие и широкие, с плоским и ломаным фасадом (как в плане, так и по высоте). О рациональной форме в плане здания можно судить по величине отношения периметра вертикального наружного ограждения P [м] к общей площади F [ м²] здания по наружному размеру. На рис. 1 представлено несколько возможных вариантов формы зданий в плане, имеющих разное отношение периметра к площади P/F.
Рис. 1. Возможные формы зданий в плане
Наименьшее значение отношения P/F у здания (табл. 2), имеющего форму квадрата (рис. 1а), а наибольшее — у здания, имеющего прямоугольную форму и ломаный фасад (рис. 1в, 1г). Это означает, что при той или другой форме здание с одинаковой общей площадью может иметь разные площади вертикальных наружных ограждений, пропорциональные их периметру и, следовательно, разные расчётные тепловые потери и тепловую мощность системы отопления, которые могут отличаться на 75% и более.
Здания вытянутые (рис. 1в), Ги П-образные (рис. 1д и 1е) располагаются на местности порой без учёта розы ветров. В отдельных случаях своим продольным фасадом здания располагаются под прямым углом к преобладающему направлению ветра в холодный период года. Всё это приводит к повышенному ветровому давлению на фасад здания и, как следствие, к повышенной инфильтрации наружного воздуха, то есть большему поступлению наружного воздуха через неплотности заполнения световых проёмов и наружных стен.
Наружные стены в настоящее время выполняются многослойными. Как правило, они состоят из конструктивного слоя (имеющего толщину, обусловленную прочностными показателями), слоя теплоизоляции, внутренним покровным и наружным защитным слоями.
Фактическое приведённое сопротивление теплопередаче наружных стен, по сравнению с проектным значением, зависит в основном от качества выполнения строительных и, в первую очередь, теплоизоляционных работ при возведении наружных ограждений, особенно ломанных в плане фасадов (рис. 1 г., 4).
В любых зданиях обычно имеются помещения с разными теплопоступлениями (от людей, освещения, оборудования, солнечной радиации). В зданиях всегда есть помещения как с расчётными «теплонедостатками», так и с теплоизбытками в холодный период года.
С целью сокращения стоимости систем обеспечения микроклимата представляется целесообразным помещения с теплоизбытками располагать таким образом, чтобы их заполнения световых проёмов выходили на северо-запад, север и северо-восток, а заполнения световых проёмов помещений с «теплонедостатками» выходили на юго-восток, юг и юго-запад.
Это можно объяснить тем, что теплопоступления солнечной радиации через заполнения световых проёмов северо-западной, северной и северо-восточной ориентации в рабочее время незначительны по сравнению с теплопоступлениями солнечной радиации юго-восточной, южной и юго-западной ориентации [5].
Вообще, расчётные часовые и суточные значения теплопоступлений за счёт солнечной радиации зависят от ориентации здания и действительных условий облачности. Количество теплоты солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность южной ориентации в июле при действительных условиях облачности и безоблачном небе в ряде городов, представлено на рис. 2 и 3 [5].
Следует отметить, что величины теплопоступлений в помещение через вертикальные поверхности заполнений световых проёмов за счёт солнечной радиации и теплопередачи, соответствующие суммарной и прямой солнечной радиации, ориентированные в первую очередь на южную, а также на юго-восточную и юго-западную стороны, рекомендуется определять не только для тёплого (в июле), но и весенне-осеннего периодов года для определения большего значения теплопоступлений за счёт солнечной радиации и теплопередачи при определении расчётных теплоизбытков в помещении.
Немалое значение имеет и цвет фасадов зданий. В районах с холодной и продолжительной зимой целесообразно выполнять фасады голубого и жёлтого цветов и серых оттенков, имеющих больший коэффициент поглощения теплоты солнечной радиации. Это позволит в холодный период года сократить потребление тепловой энергии на отопление за счёт большего поглощения наружными поверхностями вертикальных ограждений теплоты солнечной энергии в солнечные дни.
В последнее время ведётся плотная застройка территории (фото 3), что приводит к уменьшению или исключению облучения солнцем отдельных помещений существующих и строящихся зданий, расположенных в первую очередь на нижних этажах, и к снижению уровня жизнедеятельности жителей района.
