Рис. 1. Возможные формы зданий в плане
Табл. 1. Теплотехнические показатели наружных ограждений зданий*
Табл. 2. Изменения удельных тепловых потерь
Табл. 3. Технические данные разных по форме в плане зданий
Табл. 4. Количество теплоты солнечной радиации*
Так, в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 25.01.2011 №18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений» «…требования энергетической эффективности подлежат применению при проектировании, экспертизе, строительстве, вводе в эксплуатацию и в процессе эксплуатации… отапливаемых зданий, строений, сооружений…». Надо отметить, что решение этого вопроса зависит от многих факторов. Таких, например, как градостроительные, архитектурно-планировочные, строительные, а также и инженерно-технические решения, принимаемые в первую очередь на стадии проектирования. С 1995 года СНиП 11-3–79* [1] и позднее СНиП 23-02–2003 [2] было предусмотрено увеличение приведенного сопротивления теплопередаче массивных наружных ограждений (наружных стен, покрытий и чердачных перекрытий) больше чем в три раза, заполнений световых проемов — в 1,24 раза (табл. 1), что позволило значительно уменьшить расчетные тепловые потери через наружные ограждения здания в целом. Строительными нормами и правилами [2, 3] предусмотрено и ограничение площади светопрозрачных поверхностей. Так, в жилых зданиях коэффициент остекленности фасада [2] должен быть не более 18 % (для общественных — не более 25 %), если приведенное 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 от 3500 до 5200;
- 0,65 м2⋅°C/Вт при градусо-сутках от 5200 до 7000, и 0,81 м2⋅°C/Вт при градусо-сутках выше 7000.
СНиП [3] рекомендует принимать площадь светопрозрачных поверхностей ограждающих конструкций здания, как правило, не более 18 % общей площади стен. Допускается увеличивать площадь светопрозрачных ограждающих конструкций при приведенном сопротивлении теплопередаче указанных конструкций более 0,56 м2⋅°C/Вт. К сожалению, многие современные здания проектируются и строятся с повышенной площадью остекленности, достигающей 50 % и более. Известно, что приведенные сопротивления теплопередаче заполнений световых проемов Rок пр , принимаемые не менее рекомендуемых из условия энергосбережения [2], меньше соответствующих сопротивлений теплопередаче наружных стен Rнс пр почти в шесть раз. Так, например, для города Москвы при числе градусо-суток отопительного периода (ГСОП), равном произведению продолжительности отопительного периода zо.п в сутках на разность расчетной температуры воздуха tв в характерном помещении здания в холодный период года и температуры наружного воздуха tо.п, средней за отопительный период, и составляющем 4943, Rок пр равно 0,52, а Rнс пр — 3,10 м2⋅°C/Вт. Следовательно, с увеличением площади остекления вертикального наружного ограждения значительно уменьшается его среднее значение приведенного сопротивления теплопередаче и соответственно увеличиваются удельные тепловые потери через 1 м2 вертикального наружного ограждения, которые можно определить по известной формуле:
q = Kокβ + Кнс(1 – β), Вт/м2, (1)
Kок = 1/Rок пр , Кнс = 1/Rнс пр , (2)
где Kок, Кнс — коэффициенты теплопередачи заполнений световых проемов и наружной стены, Вт/(м2⋅°C); β — коэффициент остекленности наружной стены, выражающий отношение площади заполнений световых проемов к общей площади вертикального наружного ограждения. Изменение удельных тепловых потерь q в зависимости от коэффициента остекленности представлено в табл. 2. При β, равном 70 %, удельные тепловые потери q почти в три раза больше удельных тепловых потерь при 10 %-ном остеклении.
У зданий с повышенным остеклением расчетные и фактические значения удельной теплозащитной характеристики вне всякого сомнения будут больше нормируемых значений удельной теплозащитной характеристики, указанных в табл. 7 [2]. Повышенное остекление можно считать допустимым в зданиях, имеющих большую глубину. Например, в зданиях вокзалов, аэропортов, торговых центров с круглосуточной работой, не имеющих рабочих мест в непосредственной близости от окон.
Величина часовых тепловых потерь через 1 м2 окна, средняя за отопительный период, незначительная и для Москвы составляет около 45 Вт/м2. Но за один отопительный период величина тепловых потерь составит уже около 231 тыс. Вт/м2, что в денежном выражении составит около 280 руб/м2. С увеличением площади остекленности увеличиваются не только тепловые потери через вертикальные наружные ограждения в холодный период года (и, следовательно, тепловая мощность системы отопления), но и теплопоступления за счет солнечной радиации в теплый период и, как следствие, капитальные затраты и стоимость эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
В теплый период года через 1 м2 площади окна (при отсутствии солнцезащитных устройств) в расчетные часы суток в помещение может поступать до 400–700 Вт и более тепловой энергии за счет солнечной радиации, что почти в 5–8 раз больше расчетных тепловых потерь в холодный период года. Это приводит к перегреву помещений в теплый и осенне-весенний периоды года [4] или вызывает необходимость делать значительные капитальные вложения в установки обеспечения комфортных условий.
Следует особо отметить, что теплопоступления за счет солнечной радиации в течение суток непродолжительные (зависит от ориентации окон) и не ежедневные (число пасмурных дней составляет порой 50 % и более). Таким образом, окно можно смело назвать «черной дырой». К сожалению, не уделяется внимание устройству стационарных солнцезащитных устройств. В основном находят применение внутренние жалюзи (располагаемые со стороны помещения), что исключает в основном световой дискомфорт.
Теплопоступления за счет солнечной радиации, прошедшие через заполнение световых проемов практически остаются в помещении. К зданиям такого типа можно отнести, например, здание «Роснано», жилой комплекс «Триколор» на проспекте Мира в Москве. Следует заметить также, что многие здания имеют не совсем рациональную форму в плане. Строятся здания 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 отношением периметра вертикального наружного ограждения P [м] к площади F [м2] здания по наружному размеру (обмеру). На рис. 1 представлено несколько возможных вариантов формы зданий в плане, имеющих разное отношение периметра к площади P/F, м/м2. Здания имеют разный так называемый коэффициент компактности. Величина отношения P/F будет наименьшей у здания (табл. 3), имеющего в плане форму квадрата (рис. 1а), а наибольшей — у здания, имеющего прямоугольную форму и ломаный фасад (рис. 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 расчетные тепловые потери и тепловую мощность системы отопления, которые могут отличаться на 75 % и более. Здания вытянутые (рис. 1в), а также Ги П-образные (рис. 1д и 1е) располагаются на местности порой без учета розы ветров.
В отдельных случаях продольным фасадом здания строятся под прямым углом к преобладающему направлению ветра в холодный период года. Это приводит к повышенному ветровому давлению на фасаде здания и, как следствие, к повышенной инфильтрации наружного воздуха, то есть большему поступлению наружного воздуха через неплотности заполнения световых проемов и наружных стен. Наружные стены в настоящее время многослойные.
Как правило, состоят из конструктивного слоя, слоя теплоизоляции, внутреннего покровного и наружного защитного слоев. Фактическое приведенное 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 ломаных в плане фасадов.
Наличие даже незначительных воздушных пустот, прослоек в толще наружной стены приводит к резкому снижению так называемого «коэффициента теплотехнической однородности стены» и, как следствие, к увеличению тепловых потерь и удельной теплозащитной характеристики здания. В зданиях обычно имеются помещения с разными теплопоступлениями (от людей, освещения, оборудования, солнечной радиации).
Конечно, есть помещения как с расчетными теплонедостатками, так и с теплоизбытками в холодный период года. С целью сокращения стоимости систем обеспечения микроклимата, помещения с теплоизбытками целесообразно располагать таким образом, чтобы их заполнения световых проемов выходили на северо-запад, север и северо-восток, а заполнения световых проемов помещений с теплонедостатками — на восток, юго-восток, юг, юго-запад и запад.
Это можно объяснить тем, что теплопоступления солнечной радиации в рабочее время через заполнения световых проемов северо-западной, северной и северо-восточной ориентации незначительны по сравнению с теплопоступлениями солнечной радиации юго-восточной, восточной, южной юго-западной и западной (табл. 4) [4, 5]. Немалое значение имеет и цвет фасадов зданий. В районах с холодной и продолжительной зимой целесообразно создавать фасады голубого, зеленого, желтого и других серых цветов, имеющих больший коэффициент поглощения теплоты солнечной радиации.
Это позволит в холодный период года сократить потребление тепловой энергии на отопление за счет большего поглощения наружными поверхностями вертикальных ограждений теплоты солнечной энергии в солнечные дни. Созданию энергоэффективных зданий и сооружений способствует, например, правильный выбор систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, уровень их эксплуатации. К сожалению, в вытянутых зданиях (рис. 1в, 1е) закладываются системы отопления двухтрубные с тупиковым движением теплоносителя и нижним расположением подающих магистралей.
В таких системах и движение воды в стояках происходит по тупиковой схеме, что требует обязательного применения дорогих автоматических регуляторов перепада давления циркуляционных колец и ветвей. Целесообразным, например, представляется проектирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с пофасадной подачей и регулированием теплоносителя и воздуха, использование ночного проветривания помещений, когда температура наружного воздуха меньше температуры воздуха в дневное время на 10–15 °C.
Выполнение перечисленных и других рекомендаций позволит создавать реально энергоэффективные или так называемые «пассивные» здания и сооружения с меньшими капитальными затратами на системы обеспечения микроклимата и меньшими эксплуатационными расходами на поддержание требуемых параметров воздуха в помещениях.
