Оценка тепловой эффективности вариантов архитектурно-средового решения заглубленного жилого здания

УДК 728.1:620.9:523.98+620.9 БЕРЕЗИН Д. В.

Оценка тепловой эффективности вариантов архитектурно-средового решения заглубленного жилого здания

Заглубленность здания как фактор снижения энергопотребления на отопление и охлаждение благодаря использованию теплозащитных свойств грунта подтвержден практикой строительства заглубленных зданий. Опираясь на этот факт, настоящая статья дает численные свидетельства термической эффективности подобных зданий, расположенных на наклонном рельефе (где часто возникает возможность встраивания постройки в рельеф), характерном для большого числа населенных пунктов в южной и наиболее заселенной части Уральских гор. В работе моделируются различные варианты контакта эквивалентного здания с грунтом, выявляется наиболее оптимальная с точки зрения энергоэкономичности степень его заглубленности, определяется термический комфорт в заглубленных помещениях, а также рентабельность мер по тепловой защите с помощью заглубления.

Ключевые слова: архитектура заглубленных зданий, жилище на рельефе, рентабельность заглубленности, пассивная энергоэкономичность.

BEREZIN D. V.

THERMAL EFFICIENCY ACESSMENT OF ARCHITECTURAL AND ENVIRONMENTAL VARIANTS OF AN EARTH-SHELTERED HOUSE

Embedding a building in earth as a factor of reduction of heating and cooling energy consumption is confirmed by practice of earth sheltered buildings construction. Resting upon this fact, the present study gives numerical evidences of efficiency of such an equivalent building, based on modelling in climatic and topographical conditions of the South Ural region — the most populated part of the Ural Mountains. The modelling, by trying four variants of contact of the equivalent building with ground, reveals the most optimal, in energy efficiency terms, degree of its earth-sheltering, estimates thermal comfort in subsurface room, discovers recoupment of thermal protection measures with ground.

Keywords: architecture of earth-sheltered buildings, hill-housing, thermal-protection profitability, passive design.

Березин Дмитрий Владимирович

кандидат архитектуры, доцент кафедры дизайна архитектурной среды Южно-Уральского государственного университета

e-mail: berezindv@susu.ru

Введение

Применение одной из древнейших стратегий поддержания в жилище приемлемой температуры, состоящей в использовании природного окружения — особенностей рельефа и ландшафта местности — в качестве дополнительного ограждения здания, в современном строительстве уже не ограничивается созданием защиты от непогоды. Можно проследить, как роль природного окружения эволюционировала от элементарных укрытий человека — группы деревьев, лощины или землянки — в виде первичной оболочки через стихийное использование в качестве локальной преграды (ветрозащита, защита от подтопления, снего-сдерживающий экран) до средства целенаправленного повышения термоэффективности зданий путем формирования специальных свойств грунта и растительности. В частности, тепловая защита грунтом является, наряду с использованием окна как отопительного прибора, наибо-

лее апробированным приемом в современной концепции энергопассивного здания [3, 64-71].

В настоящей статье предполагается, что данный подход, применяемый к индивидуальным жилым домам, может показать значительную эффективность также в климате и экономических условиях Южно-Уральского региона, где заглубленные здания еще системно не апробировались, хотя природные условия способствуют их активному внедрению в строительную практику. Таким образом, целью работы является проверка гипотезы эффективности заглубленного индивидуального жилища, его комфортности, через выявление закономерности между количеством ограждающих конструкций здания, экранированных грунтом (ар-хитектурно-средовое решение), и величиной затрат энергии на его отопление, а также оперативной температурой в помещениях, и дальнейшее соотнесение стоимости неизрасходованных энергозатрат со стоимостью земляных работ,

Таблица 1. Спецификация эквивалентного здания

Конструкция/система Элементы /характеристики

Основание Бетонные опоры 600 х 600 мм

Перекрытие 1) 25 мм — деревянный пол, 2) 220 мм — монолитная ж/б плита, 3) 400 мм — экструзионный пенополистирол; коэффициент теплопередачи конструкции — 0,10 Вт/ (м2°С); площадь (по наружному контуру) — 125 м2

Стены 1) 20 мм — внутренняя штукатурка, 2) 270 мм — монолитный ж/б, 3) 300 мм — экструзионный пенополистирол, 4) гидроизоляция; коэффициент теплопередачи конструкции — 0,13 Вт/(м2°С); общая площадь — 191,7 м2

Окна Пластиковый профиль (коэффициент теплопередачи — 1,60 Вт/ (м2°С)) двойной стеклопакет (коэффициент теплопередачи — 2,0 Вт/ (м2°С)) коэффициент светопропускания 0,7; общая площадь — 32,6 м2

Крыша 1) 13 мм — фанера, 2) 200 мм — монолитная ж/ б плита, 3) 300 мм — минеральная вата, 4) 6 мм — кровельный стальной лист; коэффициент теплопередачи — 0,14 Вт/ (м2°С); площадь — 130 м2

Отопление и ГВС Котел на дровах

Вентиляционная установка 74 % тепла отдается подаваемому воздуху путем рекуперации

Внутренняя температура 20 °С Внутренние источники тепла

обеспечивающих максимальную тепловую защиту ограждающих конструкций.

Методология

Базовый метод исследования основывается на соотнесении потерь тепла с поступлениями и нахождении количества тепловой энергии, необходимой для отопления, показывающей степень эффективности здания, как доли теплопотерь, не покрываемой теплопоступле-ниями [4, 72-81]:

где 0/,еаи^ — тепловая энергия на отопление; — теп-лопотери через прозрачные и непрозрачные ограждающие конструкции и через вентиляцию (механическую и естественную); — теплопоступления от солнечной радиации и внутренних источников тепла.

В роли оцениваемого здания выступает отдельно стоящий на склоне одноэтажный жилой дом на семью из четырех человек, с энергозависимой площадью 94 м2 (Таблица 1). Расположение здания характерно — южный склон, ввиду наибольшего притока солнечной радиации. Последовательно с помощью Пакета проектирования пассивного дома (РНРР) моделируются четыре варианта контакта этого здания с грунтом с точки зрения влияния на тепловой баланс (Иллюстрация 1, а—г).

Температурный комфорт оценивался обобщенно для всего внутреннего пространства здания как среднее значение между суммой температур излучения внутренних поверхностей и температурой внутреннего воздуха [1].

Рентабельность мер по тепловой защите грунтом рассматривается как инвестиционный проект: стоимость этих мер сравнивается с доходом от сэкономленных на энергоснабжении здания средств, вложенных в банк (по методике С. Зоколея, приведенной во «Введении в архитектурную науку» [5, 314-315]).

Климат и рельеф

Для расчета использовались обобщенные данные по температурам и солнечной радиации, характерные для ряда населенных пунктов горной зоны Южного Урала, отличающейся умеренно континентальным климатом. Средняя температура воздуха наиболее холодного месяца — января -15,7 °С, наиболее теплого месяца — июля 18,1 °С. Минимальные температуры: воздуха -30,9 °С (январь), грунта под зданием -1,4 °С

Иллюстрация 1: а — заглубление отсутствует (здание на опорах); б — заглублено основание; в — заглублены основание и северный фасад; г — незаглубленным остается только южный фасад

Таблица 2. Температура грунта в зависимости от глубины отметки перекрытия: I — отсутствует заглубление; II — заглублено основание; III — заглублены основание и северный фасад; IV — незаглубленным остается южный фасад

Месяц/ Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Глубина, м

I -9,9 -14 -13,8 -9,3 -1,8 6,9 14,2 18,4 18,1 13,7 6,1 -2,5 0

II -0,8 -2,4 -2,3 -0,6 2,3 6,1 8,9 10,5 9,9 8,2 5,3 2,0 0,7

III 1,7 0,6 0,7 1,9 4,0 7,2 9,3 10,4 9,5 8,2 6,1 3,8 4,0

IV 2,4 1,4 1,5 2,5 4,5 7,6 9,5 10,5 9,5 8,3 6,4 4,3 6,0

(февраль). Высота над уровнем моря 540 м. Минимальная солнечная радиация наблюдается в декабре — 19 кВт • ч/(м2мес), максимальная — в июне — 174 кВт • ч/(м2мес).

Складки рельефа вокруг хребтов, как правило, образуют склоны, пригодные для застройки (10-18°) [2] с преобладанием в составе грунтов глин, суглинков и ближе к вершинам — скальных пород. Средний коэффициент теплопроводности грунта 3 Вт/(м2°С). Значение градусо-суток отопительного периода рассчитывается как произведение продолжительности отопительного периода на разность внутренней и средней наружной температуры за отопительный период и для данного климатического региона равно 5 960 (°С • сут)/год.

Результаты моделирования

Выявленная тенденция линейной зависимости между степенью заглубленности здания и снижением теплопотерь закономерна (в силу теплоаккумулирующей способности грунта, а также малой амплитуды сезонных колебаний температуры (9 °С)) (см. Таблицу 2) и показывает корректность моделирования.

Интересно отметить особенности, раскрытие которых при моделировании добавляет существенные черты к пониманию заглубленного жилища в условиях холодного климата.

1 Весьма значительны различия в теплопотерях между двумя граничными вариантами — отсутствия контакта и максимального контакта (при сохранении необходимой естественной освещенности помещений) ограждающих конструкций здания с грунтом (Таблица 3). Убывание теплопотерь объясняется добавочным термическим сопротивлением слоя грунтовой засыпки, сглаживающей воздействия низких температур и препятствующей инфильтрации холодного воздуха через ограждения из-за усиленного воздействия ветра, характерного для открытых склонов.

2 Вопреки ожиданиям вклад увеличенного остекления южного фасада в теплоснабжение здания отрица-

Таблица 3. Теплопотери за год (Q[osses): I — отсутствует заглубление; II — заглублено основание; III — заглублены основание и северный фасад; IV — незаглубленным остается южный фасад

Источники потерь Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2оС) Площадь, м2 Величина потерь, кВт • ч /год

Площадь при заглублении, м2 I II III IV

Плита перекрытия 0,094 125 1677 1086 972 1 186

Наружная стена Север 0,127 45 814 814

48,2 498 498

Восток 0,127 48,7 881,5 881,5 883,2

55,1 550

Юг 0,127 42,7 771,7 771,7 774,3 773

Запад 0,127 53,2 962,8 962,8 964,8

55,1 550

Окна Север 1,96 3,2 895 895

0 0 0

Восток 1,96 6,4 1791 1 791 1791

0 0

Юг 1,97 21,12 5 933 5 933 5 933 5 933

Запад 1,95 1,92 533 533 533

0 0

Наружная дверь 1,41 2,1 423 423 423 423

Крыша 0,143 129,9 2 655 2 655 2 655 1 234

Вентиляция (вентиляционная установка, инфильтрация наружного воздуха через неплотности) 1979 1979 1779 1 514

19 316 18 725 17 198 12 660

телен — уходит на 34% больше тепла, чем приходит от солнца (Таблица 4). Заполнение окнами 30% площади фасада оказывается лишь мерой естественного освещения всех помещений полностью заглубленного здания (при этом летнего перегрева удается избежать только благодаря применению наружной солнцезащиты в виде ставень). Таким образом, сама по себе увеличенная площадь окон без усовершенствования их конструкции

не является достаточной мерой для успешного использования тепла от солнечной радиации. В то же время применение в модели трехкамерных стеклопакетов с низкоэмиссионным покрытием в теплоизолированной раме позволило бы снизить коэффициент теплопередачи установленного окна почти в 2,5 раза (что, в свою очередь, снизило бы теплопотери варианта здания с максимальным количеством окон почти на 25%).

3 Тепловая защита стен грунтом, в конечном итоге, значительно компенсирует невозможность использования окон для получения солнечной радиации, что показывает снижение расхода тепла на отопление максимально заглубленного здания в сравнении с незаглубленным на 42,5% (Таблица 5).

Тепловой комфорт

Термическая комфортность микроклимата оцениваемого здания определяется из расчета оперативной температуры для двух контрастных вариантов архитектурно-средово-го решения — отсутствие контакта с грунтом и максимальная возможная заглубленность — по формуле (1). В свою очередь, радиационная температура рассчитывается по формуле (2).

= 0,5/ + 0,5/,,

где — оперативная температура, °С; t — температура внутреннего воздуха, °С; /г — радиационная температура поверхностей интерьера, °С.

Е

Таблица 4. Теплопоступления за год (Qgains): I — отсутствует заглубление; II — заглублено основание; III — заглублены основание и северный фасад; IV — незаглубленным остается южный фасад

U =

Е 4

Источники поступлений Величина поступлений, кВт • ч/год

I II III IV

Непрозрачные конструкции (крыша) от солнечной радиации 335 335 335 0

Окна от солнечной радиации Север 92 92 0 0

Восток 514 514 514 0

Юг 3 903 3 903 3 903 3 903

Запад 135 135 135 0

Внутренние источники тепла (при продолжительности отопительного периода 205 сут/ год) 1 241 1 241 1 241 1 241

6 220 6 220 6 128 5 144

Таблица 5. Численное выражение тепловой эффективности зданий с различной степенью заглубленности (Qiosses — Qgains)'- I — отсутствует заглубление; II — заглублено основание; III — заглублены основание и северный фасад; IV — незаглубленным остается южный фасад

Годовой расход тепла на отопление Ыайпе) I II III IV

Общий, кВт  ч/ год 13 096 12 505 11 070 7 516

Удельный, кВт  ч/(м2 год) 139.3 133 117.7 80

где А — площадь внутренней поверхности ограждающей конструкции, м2;

— температура внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С.

Расчеты показали, что такая важная составляющая тепловой эффективности здания, как температурный комфорт помещений, практически не подвержена влиянию заглубления при условии, конечно, что речь идет о максимально теплоизолированном внутреннем пространстве. А поскольку в эквивалентном здании толщина теплоизоляционного слоя соответствует стандарту пассивного дома, то в результате разница в оперативной температуре — основном индикаторе комфортности — составляет лишь 0,3 °С: 19,1 °С в незаглублен-ном здании и 19,4 °С в заглубленном (при интегральной температуре излучения поверхностей 18,3 и 18,8 °С соответственно).

Рентабельность заглубления как мера по тепловой защите

Нарастающая энергоэкономичность оцениваемого здания по мере заглубления имеет и зримую финансовую составляющую (Иллюстрация 2). Будущая двадцатилетняя экономия затрат на отопление, приведенная к сегодняшнему дню с помощью метода чистой приведенной стоимости (формула (3)), оказывается сопоставимой с затратами на выемку и обработку грунта.

Иллюстрация 2. Зависимость между вариантом заглубления здания и сэкономленной тепловой энергией, отраженная в годовой стоимости теплоснабжения

5 •

1 + i)

где 5 — разница в стоимости энергии на отопление за год между двумя вариантами архитектурно-средового решения — отсутствие контакта с грунтом и максимально возможная заглубленность (131 — 75 = 56, € / а), а также начальное капиталовложение; I — средняя реальная (за вычетом инфляции) процентная ставка (3%); п — интервал времени с момента вложения первого сберегательного вклада из суммы, сэкономленной на теплоснабжении дома — 20 лет (временной горизонт относительной

предсказуемости процентных ставок в странах европейской культуры). Таким образом, доход от сэкономленных затрат на отопление, размещенных на банковском вкладе, составит:

1 — (1 + 0,03)—20

56 •-

0,03

= 821 €.

В то же время единовременные инвестиции в повышение тепловой защиты (заглубление) равны 810 € (270 м3 — извлекаемый объем грунта и 3 €/м3 — стоимость работ по экскавации). Как видно, экономия затрат на теплоснабжение здания с профицитом окупает расходы на его тепловую защиту заглублением за двадцать

лет, при этом она продолжит действовать и по истечении этого срока, принося прибыль. Кроме того, в расчете можно учесть стоимость неустановленных на заглубленные фасады окон (взяв во внимание при этом дополнительные расходы на усиленную гидроизоляцию и систему дренажных труб по периметру здания) и вычесть ее из затрат на заглубление.

Заключение

Настоящим исследованием установлено, что для свободно стоящего здания в достаточно холодных климатических условиях, подобных условиям Южного Урала, может явиться целесообразным как с энергетической, так и с финансовой точек зрения использовать высвобожденные при строительстве массы грунта для теплозащиты наружных конструкций. Степень этой защиты может быть максимальной — три фасада, крыша и перекрытие, так как для освещения и инсоляции достаточно использовать только один фасад с увеличенной площадью окон (впрочем, большая глубина корпуса, как в оцениваемом здании — 10 м, потребует приближения светового фронта к заглубленным помещениям, например, путем создания над ними остекленного мезонина со вторым светом). При этом максимальная солнечная радиация, поступающая через расширенную светопрозрачную часть фасада с южного сектора горизонта, в климате Южного Урала, как показало моделирование, на 100% служит отоплению здания в отопительный период и не создает дискомфортного превышения температуры внутреннего воздуха летом (при организации элементарной солнце-защиты и ночном проветривании через окна).

В результате определения степени тепловой комфортности помещений в оцениваемом здании выявлено, что, хотя развитый, грамотно размещенный теплоизоляционный слой и без дополнительной грунтовой оболочки позволяет поддерживать комфортные температуры в помещениях, все же для здания со стандартной теплоизоляцией или вовсе неутепленного, с учетом серьезной разницы температур 51 °С (-31 — минимальная наружная и 20 внутренняя температура), именно заглубление может стать действенной мерой по повышению температур на внутренних поверхностях конструкций и положительному влиянию на микроклимат.

В то же время стратегия тепловой защиты здания грунтом имеет очевидные ограничения архитектурного и природного характера — не каждый тип жилого дома и не в каждой градостроительной и природной ситуации может быть реализован как энергоэкономичное заглубленное здание. Так, например, сокращение светового фронта эквивалентного здания по мере заглубления повлекло значительные трансформации в планировке — смещение и неизбежное увеличение зоны обслуживающих помещений, сокращение количества изолированных помещений и превращение части из них в зоны в структуре единого внутреннего пространства, использование «второго света» для части интерьера. Кроме того, в отличие от заглубленного, незаглубленный или полузаглубленный варианты позволяют увеличить число эвакуационных выходов и в 2 раза нарастить воздухообмен за счет сквозного летнего проветривания, возможного даже в штиль благодаря разнице температур на противоположных фасадах.

Однако полученные в ходе моделирования численные свидетельства энергоэффективности и финансовой адекватности заглубленных маломасштабных зданий свидетельствуют об их высоком потенциале в деле снижения энергопотребления и делают их, в определенных условиях топографии и застройки местности, разумной альтернати-

вой другим приемам энергосбережения в архитектурном

проектировании жилища.

Список использованной литературы

1 ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях/СантехНИИ-проект, ОАО ЦНИИПромзданий. М., 2011.

2 Калабин А. В. Дом на рельефе. Екатеринбург : Вебстер, 2012. 160 с.

3 Стерлинг Р., Кармоди Дж., Эллисон T. и др. Проектирование заглубленных жилищ. М. : Стройиздат, 1983. 192 с.

4 Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М. : АСВ, 2011. 148 с.

5 Szokolay S. V. Introduction to architectural science the basis of sustainable design. Architectural Press, an imprint of Elsevier Science, Oxford, 2004. 285 p.