Перспективы разработки «Биоклиматического» дома с оценкой зимних наружных воздействий

Перспективы разработки биоклиматического дома с оценкой зимних наружных воздействий. Н.Г.Волкова

Экономический кризис усложнил задачу улучшения жилищных условий населения, которую в некоторой степени можно решить посредством строительства зданий малого объема - это могут быть дома биоклиматического

типа. Идея строительства зданий нового поколения не нова, всегда актуальна и напрямую связана с энергосбережением. В конце прошлого столетия появились различные направления перспективных зданий по типу«биоклиматической» архитектуры, такие как: «пассивный» дом [1], «энергоактивное солнечное здание» [2], «энергоэффективное здание» [3] и другие. Понятие биоклиматического дома можно признать более емким, включающим широкий спектр вопросов, связанных с существованием человека в природе. Главной задачей специалистов при сокращающихся запасах природных ресурсов страны является обеспечение теплотехнического оптимума строения. Конечный результат можно сравнить с движением в сторону горизонта Земли: создание реального проекта является бесконечным процессом приближения к эталону, рассмотрения различных вариантов, сводящихся к последовательности решения задач по выбору архитектурно-конструктивных решений, внедрения современного инженерного оборудования, использования вновь полученных экологически чистых строительных материалов, программного обеспечения и других. Все эти составляющие части при их бесконечной модернизации оказывают постоянное влияние друг на друга. Творческий подход к созданию биоклиматического дома малого объема позволяет углублять и совершенствовать архитектурные и конструктивные решения, улавливающие окружающее человека тепло -как природное (солнечное, аэродинамическое, для ряда территорий - грунтовое), так и бытовое.

Начало XXI века внесло значительные изменения в нашу жизнь, которые коснулись коммуникационных систем, изделий из современных материалов, полученных посредством нанотехнологий, и т.д. При разработке уникальных архитектурных зданий появилось стремление к использованию законов бионики, науки, решающей инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов [4]. Территория РФ отличается достаточно суровым климатом, и это, как и экологические проблемы, необходимо учитывать при проектировании и строительстве зданий нового поколения [5, 6].

Современные научные разработки характеризуются новым отношением к окружающей среде, сохранению и сбережению энергии в строительстве. Поддержание требуемого микроклимата зданий может осуществляться с применением генераторов, работающих не только на традиционном топливе, но и с потреблением солнечной и нетрадиционных источников энергии, увеличение доли которых будет возрастать. Существует реальная возможность использования энергетического потенциала территории, позволяющая в ряде регионов значительно сократить затраты на обеспечение теплового комфорта в зданиях [7], не ограничиваясь

только горячим водоснабжением. Тепловой режим дома может быть обеспечен посредством фоновых и дополнительных обогревающих инженерных систем.

Опыт применения солнечной энергии показывает целесообразность ее использования для застройки территорий с непродолжительным отопительным периодом и с наблюдающейся ясностью дней в году более 200. Использование солнечной энергии для отопления в РФ возможно только при наличии дублирующих систем на основе традиционных, а также газовых и электрических приборов или тепловых насосов. Мы не станем останавливаться на конструктивных особенностях оборудования и способах обеспечения необходимого теплотехнического эффекта. К настоящему времени уже накоплен определенный опыт по использованию комбинированных солнечных и теплонасосных установок. Гелиоприемники солнечной радиации могут быть плоского (зачастую коллекторного) типа - «горячий ящик», а также концентрического. Тепловые насосы могут быть: а) компрессионные (паровые); б) струйные (эжекторного типа); в) абсорбционные. В настоящее время нашли применение шесть основных типов тепловых насосов, которые классифицируются по источникам тепла: 1) воздух к воздуху; 2) воздух к воде; 3) вода к воздуху; 4) вода к воде; 5) земля к воздуху; 6) земля к воде. Разработку биоклиматического дома следует начинать с выбора наиболее эффективных теплозащитных ограждений и выявления теплотехнического оптимума при использовании традиционных инженерных систем обеспечения (ИСО) микроклимата зданий. Затем к рассмотрению принимается вариант дома с гелиоприемником. Внедрение такого проекта предпочтительнее осуществлять в южных и приморских районах территории РФ. Последующие проектные решения разрабатываются по принципу усложнения инженерных задач.

К специфике архитектурного стиля зданий нового поколения, основанного на сочетании высоких технологий и материалов с заданными морфологическими свойствами, можно отнести автономность, энергосбережение, безопасность и комфортность среды обитания.

Для исходного варианта «биоклиматического» дома может быть выбран конкурсный проект, а классификационная основа может базироваться на предложениях Н.П.Селиванова [2] для солнечных зданий:

1) - по трансформируемости:

• нетрансформируемые здания со стационарно ориентированным коллектором;

• мобильные, в том числе вращающиеся, здания со следящим коллектором;

• стационарные здания с трансформируемой защитой коллектора;

• стационарные здания с концентрированной подачей солнечной энергии на плоский коллектор;

• стационарные здания со следящим солнечным коллектором.

2) - по расположению солнечных коллекторов в системе наружных ограждающих конструкций:

• на скатных или плоских покрытиях;

• в наружных стенах;

• в ограждениях балконов, лоджий или соляриев;

• в оконных проемах;

• в зенитных фонарях;

• на цоколе или ниже цоколя;

• в окрестностях здания (автономный коллектор).

Гелиотехнические решения показаны на рисунках 1-3.

Развитие нанотехнологий с их манипуляциями отдельными атомами и молекулами может привести к значительным структурным изменениям в области энергетики и создать условия для появления новых архитектурно-конструктивных форм, позволяющих сформировать образ здания будущего. Энергетическая система дома нового поколения может быть представлена автономным источником энергии, состоящим из гелио- и ветроустановок, следящих за движением Солнца и учитывающих аэродинамическое воздействие [8]. Солнечные батареи, топливные элементы нового типа, созданные из легких, прочных и износостойких материалов с регулируемой на атомарном уровне структурой, могут приобрести совершенно иное качество.

Малый объем биоклиматического дома, включая мобильные здания, дает возможность наиболее удобно и экономично проверять научные инновации, новые подходы и современные конструктивные решения. При возведении зданий нового поколения могут быть востребованы чистые материалы и фрагменты ограждающих конструкций из керамики, разрабатываемые А.И.Ананьевым (НИИСФ РААСН) [9], конструкционные и облицовочные материалы на основе гипсовых вяжущих - И.В.Бессоновым (НИИСФ РААСН), О.В.Ялуниной (ОАО Гипсополимер, г. Пермь) [10]. Одним из современных инновационных проектов является элемент солнцезащитного ограждения из полиметилметакрилата и солнцезащитное энергосберегающее ограждение С.А.Сидорцева (НИИСФ РААСН) [11]. Изобретение может быть использовано в конструкциях окон зданий с регулируемым температурным режимом.

Теоретические предпосылки оптимизации теплового режима такого дома ориентированы на минимальное потребление энергии [12] и использование современных биосовместимых материалов. Идеальное жилище биоклиматического типа должно сохранять тепло в холодный период года и максимально аккумулировать солнечную энергию. Правильная ориентация здания позволит использовать энергетический эффект радиационного и ветрового воздействия [13]. При разработке биоклиматического дома необходим учет территориальных особенностей застройки. Оценка теплозащитных качеств ограждающих конструкций, с учетом их долговечности, может осуществляться в климатических камерах.

Экономия энергии может быть реализована посредством систем, учитывающих тепловой баланс дома. Для обеспечения теплозащиты ограждений, долговечности и энергети-

ческой эффективности теплогенерирующих устройств, обладающих меньшей конструктивной прочностью и находящихся снаружи оболочки здания, необходима более полная информация о климатических воздействиях. В связи с этим

Рис. 1. Разрез «идеального» солнечного дома (максимальная площадь и оптимальный наклон солнечного коллектора, минимальная необлучаемая площадь ограждений): 1 - коллектор; 2 - аккумулятор тепла

Рис. 2. Разрез солнечного дома с компромиссным решением компоновки энергоактивных конструкций и создания необходимых удобств для обитателей: 1 - коллектор; 2 - аккумулятор тепла; 3 - световой проем

Рис. 3. Дом Г. Томасона (США) с солнечным отоплением и охлаждением системы «Санни саут»: 1 - коллектор; 2 - аккумулятор тепла; 3 - насос; 4 - труба

в разработках НИИСФ к рассмотрению принимают расширенное количество климатических параметров. При расчете солнечной радиации важной климатической характеристикой является продолжительность солнечного сияния при безоблачном небе от восхода до захода солнца и открытости горизонта. С увеличением облачности продолжительность сияния сокращается. Его величина определяется как отношение к возможному сиянию в данной местности в %, т.е. фактически наблюдавшемуся - к теоретически вычисленному для данного пункта. Графики продолжительности солнечного сияния южных городов показаны на рисунке 4.

В современных условиях возрастает значимость трудозатрат при строительстве зданий [14]. Во многих регионах России ожидается более значительное потепление, чем в среднем на Земном шаре, что увеличивает вероятность экстремальных значений температур, скоростей ветра и осадков. Явления такого рода имеют нелинейный характер, при монотонном возрастании средней температуры разброс экстремальных значений других параметров может увеличиваться в большей степени. Это свидетельствует о целесообразности учета дополнительных параметров, таких как относительная влажность воздуха, скорость ветра и осадки.

Эффективность, качество и скорость проведения монтажных работ при строительстве зданий малого объема в большей степени зависят от климата местности. Исследования погодных условий ряда городов Московской области (МО) с 1951 по 2004 год позволили достаточно полно судить об изменении наиболее распространенных климатических параметров и в первую очередь температурного режима городов [15]. В соответствии с практикой температурного зонирования (ТЗ) при проведении исследований к рассмотрению принимались такие климатические характеристики, как месячные температуры

наружного воздуха и продолжительность холодного периода. Рассмотрение выборки повторяемости среднемесячных температур за зимний период по городам МО применительно к диапазону до -3 °С, -5 °С, -8 °С и ниже -8 °С показало смазанную картину распределения данных значений параметра зимнего периода в году, четверть его составили значения ниже -8 °С. Изменение температуры носит неустойчивый скачкообразный характер с пиками резкого похолодания (рис.5).

Тенденция повышения значений средних месячных температур свидетельствует о некотором потеплении климата, отличия графиков городов Можайска и Павловского Посада незначительны. Однако аэродинамический режим местности и количество выпадающих осадков для этих городов значительно разнятся. Эту специфику необходимо учитывать при расчетах теплозащиты здания, воздухопроницания ограждающих конструкций, аэрации помещений, а также на уровне принятия проектных решений по использованию отделочных материалов, при планировании трудозатрат наружных строительных работ и т.д.

Данные проведенных исследований показали уменьшение периода с отрицательными температурами практически на две недели по сравнению с ГСН-2001. Города Можайск и Серпухов имеют самый короткий зимний период - 137 дней, значения средних температур зимнего периода соответственно повысились до 4,995 °С и 4,7 °С (как показывает практика, при оценке трудозатрат важен каждый знак после запятой). Продолжительность холодного периода (< 0 °С) для г. Дмитрова сократилась на 6 суток со 147 до 141 по сравнению с данными СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».

Анализ аэродинамического режима территории МО с 1980 по 2002 год по числу случаев скоростей ветра > 10 м/с показал, что наибольшее их количество приходится на г. Мо-

Рис. 4. Отношение наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной в данной местности, %

жайск. Так, на ноябрь пришлось 65 случаев, декабрь - 79, январь - 81, февраль - 50. В феврале за зимний период 1989-1990 года в г. Коломне это число достигло 18. В марте этого периода максимальное количество случаев пришлось на г. Серпухов - 30 (рис. 6).

Также было определено количество выпадающих осадков по градациям не менее 10 мм за период 1980-2002 годов. Результаты показали, что их максимальное количество прихо-

дится на г. Павловский Посад: ноябрь - 26 дней, декабрь - 16 дней, январь - 10 дней, февраль - 9 и март - 13 (рис. 7).

О климатической изменчивости городов одной температурной зоны, для которой характерны показатели средних и среднемесячных температур зимнего периода, приходящихся на интервал от -12 °С до -18 °С, можно судить по городам Томску и Хабаровску. Графики, построенные по комплексным климатическим параметрам, представлены на рисунке

Рис. 5. Ход зимних температур в городах Московской области

Рис. 6. Общее число случаев скоростей ветра > 10 м/с для зимних месяцев 1980-2002 годов

Рис. 7. Количество дней с выпадающими осадками по градациям не менее 10 мм за период 1980-2002 годов

а) для температур от -120С до -18 0С, %

б) за зимний период, %

Рис. 8. Повторяемость интервалов относительной влажности воздуха для городов Томска и Хабаровска

8. Метеорологические элементы включают в себя температуру наружного воздуха декабря, января и февраля с градацией значений через 2°С с относительной влажностью наружного воздуха - через 5%.

Отличие влажностных условий необходимо учитывать при определении энергозатрат, планировании долговечности строительных конструкций и проведении строительных работ.

Выводы

В работе рассмотрены перспективы строительства дома нового поколения. Научные достижения XXI века дают возможность перейти к разработке биоклиматического дома малого объема, позволяющего обеспечить сохранение благоприятной обстановки в помещении при наименьшем использовании установок, потребляющих энергию от невозоб-новляемых источников. Поддержание микроклимата помещений должно происходить в силу использования современного оборудования и архитектурных, конструктивных и инженерных решений, обусловленных морфологическими свойствами строительных материалов.

Следует отметить, что биоклиматические дома малого объема, включая мобильные, позволяют наиболее удобно и экономично проверять научные инновации, новые подходы и современные конструктивные решения.

Безусловно, такой дом в условиях РФ будет нести специфику климатических отличий территории. В работе значительное внимание уделено оценке зимних наружных воздействий в соответствии с суровым климатом нашей страны.

Литература

1. Смирнова Т. Опыт эксплуатации «пассивных» домов в России и Западной Европе. Сборник НИИСФ РААСН. 7-9 июля 2009 г.

2. Н.П. Селиванов. Энегоактивные солнечные здания. Серия «Строительство и архитектура», №2, 1982.

3. Энергоэффективные здания. Советско-финский семинар. Москва, 17-19 сентября 1983 г.

4. Сергеев A.M. Архитектурно-строительная бионическая «СИМПРОЛИТ»-система как один из аспектов решения экологических проблем в строительстве. Сборник НИИСФ РААСН. 7-9 июля 2009 г.

5. Волкова Н.Г. О связи строительства с изменением климата. Проблемы управления качеством городской среды. VII Международная научно-практическая конференция. М., «Прима-Пресс», 2003.

6. Волкова Н.Г., Попова Ю.К. Триединая задача экологии применительно к проблемам строительства. Сборник НИИСФ РААСН. 7-9 июля 2009 г.

7. Марченко О.В., Соломин С.В. Оценка экономической и экологической эффективности солнечного теплоснабжения в России. «Теплоэнергетика», № 11, 2001.

8. Н.А. Сапрыкина. Инновационные энерготехнологии в архитектуре. «Academia», №1, 2006.

9. Ананьев А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий. «Жилищное строительство», №8, 2008.

10. Якунина О.В., Бессонов И.В. Экологические аспекты применения стеновых материалов. Сборник докладов «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики». М., НИИСФ РААСН, 2003.

11. Элемент солнцезащитного ограждения из полиметил-метакрилата и солнцезащитное энергосберегающее ограждение. Патент на изобретение № 2304682. Автор: Сидорцев Сергей Алексеевич

12. Богословский В.Н., Киселев И.Я. и др. сотрудники НИИСФ, МГСУ и др. Технология оптимизации энергии вновь возводимых и реконструируемых зданий. Отчет о НИР, дог. № 4-98/1-15, М., НИИСФ РААСН, 1998 г.

13. Волкова Н.Г. К разработке комплексного подхода при использовании дополнительных архитектурно-строительных и инженерных решений обеспечения микроклимата зданий. Сборник докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». М., НИИСФ РААСН, 2001.

14. Волкова Н.Г. Учет дополнительных характеристик климата для оценки трудозатрат при производстве строительных работ в холодный период года. Сборник НИИСФ РААСН. 7-9 июля 2009 г.

15. Строительная климатология. Справочное пособие к СНиП, М., 2006.

Perspectives of Development of a Bioclimatic House with

Estimation of Winter External Influences.

By N.G.Volkova

Scientific achievements of the XXI-st century give an opportunity to pass to the development of a bioclimatic house of small volume, allowing to provide thermal comfort indoors at the minimal use of the installations consuming energy from non-renewable sources. Microclimate maintenance in the house should occur with the help of modern equipment as well as architectural, constructive and engineering solutions caused by morphological properties of the building materials. Buildings of small volume, including mobile ones, are the most convenient and profit-proved to check the scientific innovations, new approaches and modern construction solutions. The project of the house in the conditions of the Russian Federation will take into account climatic peculiarities of the territory. In this study, considerable attention is given to the estimation of winter external influences in connection with the inclement climate of our country.

Ключевые слова: перспективы, биоклиматический дом малого объема, зимние наружные воздействия.

Key words: perspectives, bioclimatic house of small volume, winter external influences.