Энергетическая эффективность и формообразование зданий

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗДАНИЙ

POWER EFFICIENCY AND FORM-FORMATION OF BUILDINGS

B.K. Савин

V.K. Savin

НИИСФ PAACH

Выполнен научный анализ no оценке энергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий с учетом их формы и этажности. Предложен новый подход к определению энергетической эффективности зданий.

The scientific analysis by estimating of power savings at building and operation of buildings taking into account their form and number of storeys is made.The new approach to definition ofpower efficiency of buildings is offered.

Формообразованием зданий профессионально занимается архитектор. Над этим же вопросом работает ученый и инженер. Их совместным трудом создается среда обитания человека, которая должна удовлетворять его физиологическим и психоэмоциональным потребностям. Но как соединить воедино «пользу, прочность и красоту» с энергетической эффективностью дома, улицы и города? Как одновременно при минимальных энергетических затратах обеспечить комфортные условия проживания человека? Между «красотой», пользой (энергоэффективностью) и прочностью (долговечностью и устойчивостью) зданий существуют антагонистические отношения - красота требует расточительства энергии, а «польза» - ее экономии.

Увеличение в разы объемов строительства жилых зданий с наименьшими суммарными энергетическими затратами при их строительстве и эксплуатации является главной задачей строительной отрасли России. В этом случае необходимо для народа строить дешевое жилье. При такой постановке задачи полеты мысли современных архитекторов и их модернистское зодчество из-за резкого повышения энергоемкости здания не могут восприниматься большинством населения.

Кризис строительной отрасли, озвученный Президентом Медведевым Д.А., заключается в том, что 60% нашего жилого фонда выработало свой ресурс. Поэтому перед Правительством поставлена задача - увеличить объемы ежегодного строительства до 140 млн. кв. м в год. В этом случае на первое место выходят не внешний облик и интерьер здания, а его потребительские качества, связанные с жизнью и комфортом проживания людей в нем. Следовательно, нужно строить здания - «коробки». Но какова их эффективность по сравнению со зданиями изощренной и сложной формы, имеющими красивый внешний облик и интерьер?

В монографии [1] для зданий квадратной и прямоугольной формы в плане выполнены энерго-экономические исследования, связывающие затраты энергии на строи-

3/2011_МГСу ТНИК

тельство и эксплуатацию зданий с их формой. Общий удельный минимальный расход тепла здания, отнесенный к 1 кв. м пола, на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, а также электрической энергии на освещение и бытовые нужды составляет

сум min _ сум min . . . ,.. ч

q общ / пол ~ Чогр / пол и в j г.в j эл ' V /

_ сум min

где qozp / пол - суммарный удельный расход тепла на отопление вертикального ограждения;

qe - удельный расход тепла на вентиляцию;

Чг в - удельный расход тепла на горячее водоснабжение;

Чэл - удельный расход тепла на электроснабжение. Уравнение (1) можно представить в развернутом виде [1]

qTJ1! = 0,024 • DQSa™  +1) + П [423nG^ (tг -1х) + 36р],

Fn

кВт-ч/

где - ккомп = F0Zp / Fn03 - коэффициент компактности здания;

Sa= Q* • R*l(24 • D • z) - безразмерный критерий; D - градусо-сутки отопительного периода, 0С-сут.;

Z = ZZom пер - безразмерная величина, численно равная сроку службы ограждения;

z0m.nep. - время отопительного периода одного года, ч; n - количество людей, проживающих в квартире;

Ссум=115л=115кг - нормативный расход горячей воды в сутки на человека; 4, tx - соответственно температура горячей и холодной воды; P- норма расхода электрической энергии в месяц на одного жителя. Для зданий прямоугольной формы с гладкостенными вертикальными ограждающими конструкциями с учетом обеспечения помещений естественным светом и вентиляцией коэффициент компактности определяется по формуле [2,3]

„ _ F»^ -6L(1+™

Ккомп - ^ - - ,

комп

I

пол

Р X

пол

где X = X/Ь - отношение длины здания к ширине (безразмерная длина здания).

В табл. 1 для зданий различной длины при Б=5000°С сут. и = 1 м2оС/Вт определена экономия энергии в зависимости от безразмерной длины здания. Удельные тепловые потоки, отнесенные к 1м2 поверхности пола здания, были рассчитаны по формуле

Чот ^компЧогр ,

а экономия энергии при эксплуатации здания определена из зависимости Aqот = (Яогр - qoш У qoгP -100,% ,

где удельные тепловые потоки через наружное ограждение рассчитаны по формуле

а = 0,024D/R"p .

Чогр ? огр

Таблица 1.

Результаты расчета экономии энергии в зависимости от безразмерной длины здания

Безразмерная длина здания, х Коэффициент компактности К комп Удельный тепловой поток кВт-ч/м2 Экономия энергии Да

1 1 120 0

5 0,60 72 40

10 0,55 66 45

20 0,53 63 47

50 0,51 61 48

100 0,505 60,6 49

Анализ результатов расчета показывает, что при длине здания плюс бесконечность мы получаем экономию энергии 50% (х ^ <», ктмп ^0,5). Но уже при длине здания х = 10 (х =120 м.) экономия энергии составляет 45%. Таким образом, можно рекомендовать проектировщикам при ширине корпуса здания 12 м принимать его длину не менее 120 м.

Последняя зависимость (3) относится к зданиям квадратной и прямоугольной формы с гладкостенными вертикальными ограждающими конструкциями и не учитывает долю дополнительных затрат, связанные с изменением его формы.

В настоящее время в городах, как правило, возводятся многоэтажные здания с изощренной и сложной формой, имеющие оребрения, т.е. множество выступающих конструкций в виде балконов, лоджий и т.п. конструкций. Оребрения зданий значительно снижают их энергетическую эффективность.

При теплотехнических расчетах для интенсификации передачи тепла через стенку какого-то прибора или устройства увеличивают тепловой поток путем оребрения ее наружной поверхности. В качестве примера можно привести чугунные радиаторы или другие нагревательные приборы, устанавливаемые под окнами в помещениях зданий. В этом случае тепловой поток можно рассчитать по формуле

_ Тв ~ (н

аот 1 1 ,

— + Як +—^ ае аИ Рр

где р = Р / Р - коэффициент оребрения здания.

Коэффициент оребрения здания при одинаковых площадях пола представляет собой отношение периметра наружных поверхностей стен с развитой поверхностью Рр к

периметру стен Р квадратной или прямоугольной формы (гладкостенных зданий).

3/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Здание с развитой поверхностью наружных поверхностей стен можно назвать «здание-нагревательный прибор». Коэффициент оребрения в таком здании всегда больше единицы Рр = Рр / Р > 1. В энергоэффективном здании без оребрения коэффициент его

формы должен быть минимальным, т.е. равным единице.

На рис.1 приведены формы двух зданий различной конфигурации с одинаковой площадью пола помещений 225 м2. Из рисунка видно, что периметр наружных поверхностей стен в «здании-нагревательный прибор» на 20% больше, чем в здании квадратной формы, (Рр = 1,2), а коэффициент компактности также значительно выше (ктмп = 1,15). Из этого следует, что коэффициент полезного действия здания квадратной формы равен

1,15 - 0,8

л =-= 0,55

0,8

и его энергетическая эффективность на 45% выше «здания-нагревательного прибора».

Энергетическая эффективность «здания-нагревательного прибора» также снижается при лобовом обтекании его ветром. В работе [4] выполнен анализ теплообмена. При лобовом обтекании прямоугольной поверхности здания образуется плоский пограничный слой. В реальных условиях обтекания наружные поверхности стен зданий имеют выступы и впадины, которые искажают или разрушают симметрию температурного и скоростного полей. Например, «здание-нагревательный прибор» или дом с развитой наружной поверхностью (рис. 2) имеет на каждой выступающей поверхности свою критическую точку. В средней части поверхностей стен тепловой пограничный слой и тепловой поток имеют постоянные значения, а затем к углу здания пограничный слой уменьшается, а тепловой поток увеличивается. Приближенно потери тепла «здания -нагревательного прибора» увеличиваются на 5-10%.

Этажность зданий и наличие в них лифтов также оказывают существенное влияние на его энергетическую эффективность. С точки зрения строительных норм при разработке архитектурно-планировочных решений наиболее эффективным зданием является высотное здание (небоскреб). В работе [5] говорится, что это «наиболее компактное объемно-планировочное решение, по возможности с уширенным корпусом,

ВЕСТНИК МГСУ

3/2011

обеспечивающим сокращение расхода энергии». Действительно, такая позиция соответствует СНиП 31-02, по которым «дом должен быть запроектирован и возведен таким образом, чтобы ... обеспечивалось эффективное и экономичное расходование не-возобновляемых энергетических ресурсов при его эксплуатации» [6,7]. С учетом суммарных затрат энергии, необходимой для строительства и эксплуатации здания, это утверждение для зданий с естественным освещением и естественной вентиляцией неверно.

С помощью формулы (2) можно определить суммарный удельный расход энергии здания без учета энергозатрат пола и покрытия. Общий суммарный минимальный расход тепла на отопление, вентиляцию, электроснабжение и горячее водоснабжение всего здания за срок его эксплуатации г лет и с учетом энергозатрат пола и покрытия можно найти из выражения

ЕТ/Г: = ^СС^г , кВт-ч.

В уравнении (3) поправочный коэффициент кзд учитывает долю суммарного минимального расхода тепла через наружное ограждение (пол+покрытие) и долю дополнительных затрат, связанных с установкой лифтов

к л = к  к . .

зд эт лифт

В табл. 2 показано влияние этажности на энергозатраты здания с установкой лифта или без него.

Таблица 2

Показатели Этажность здания

1-3 4-5 6-9 10 и более

Удельные тепловые потоки, кВт-ч/(м2-год) 200 160 140 115

Коэффициент кэт 1,70 1,25 1,22 1

Коэффициент кшфт 1 1 1,2 1,3

Коэффициент кзд 1,70 1,25 1,46 1,3

При расчете кэт были использованы удельные тепловые потоки расхода энергии зданием за отопительный период [5], которые приведены в нормативах МГСН 2.01-94. Учет суммарных энергетических затрат при строительстве и эксплуатации здания с

3/2011_МГСу ТНИК

установкой лифтов выполнен приближенно на основе данных [8] и следующих соображений. Лифт в доме занимает порядка 8-10 кв. м. полезной площади. Кроме того на его строительство необходимо затратить 2,5-3 млн. руб., на которые можно приобрести еще 30-50 кв. м. жилья. На эксплуатацию и ремонт лифта также требуется энергетические затраты.

Литература

1.Савин В.К. Строительная физика. Энергоэкономика. М. "Лазурь", 2011.

2.Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энегоэффективность, энергосбережение. М. "Лазурь", 2005.

3.Савин В.К. Савина Н.В. Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий. М., ACADEMIA, №5, 2009.

4. Савин В.К. Строительная физика: аэродинамика и теплообмен при взаимодействии потоков и струй со зданиями. М. "Лазурь", 2008.

5.Матросов Ю.А. Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения. - М., НИ-ИСФ РААСН, 2008.

6.СНиП _23-02-2003. Теплозащита зданий, изд. 2004.

7.СП 23-101-2004. проектирование тепловой защиты зданий, изд. 2008.

8. Колотилкин Б.М. Долговечность жилых зданий. М., Издательство литературы по строительству, 1965.

Literature

1.Savin V.K. Stroitel'naya fizika. Energoekonomika. M. "Lazur'", 2011.

2.Savin V.K. Stroitel'naya fizika: energoperenos, enegoeffektivnost', energosberejenie. M. "Lazur'", 2005.

3.Savin V.K. Savina N.V. Dva sposoba uvelicheniya jilischnogo fonda strany pri neizmennyh energeticheskih zatratah na stroitel'stvo i ekspluataciyu zdanii. M., ACADEMIA, №5, 2009.

4. Savin V.K. Stroitel'naya fizika: aerodinamika i teploobmen pri vzaimodeistvii potokov i strui so zdaniyami. M. "Lazur'", 2008.

5.Matrosov Yu.A. Energosberejenie v zdaniyah. Problema i puti ee resheniya. - M., NIISF RAASN, 2008.

6.SNiP _23-02-2003. Teplozaschita zdanii, izd. 2004.

7.SP 23-101-2004. proektirovanie teplovoi zaschity zdanii, izd. 2008.

8. Kolotilkin B.M. Dolgovechnost' jilyh zdanii. M., Izdatel'stvo literatury po stroitel'-stvu, 1965.

Ключевые слова: энергосбережение, эффективность, форма и этажность здания, обьем-но-планировочные решения помещений, компактность здания, коэффициент формы здания.

Keywords: The power savings, efficiency, form and number of storeys of buildings, space-planning decisions of rooms, compactness of a building, factor of the form of a building.

Тел. автора: 8495-482-39-58.