Формообразование зданий. Красота или польза?

Формообразование зданий. Красота или польза?

В.К.Савин, Н.В.Савина

Выполнена энергетическая оценка проектируемых зданий с различной формой и этажностью. Показано, что минимизацию энергетических затрат здания следует проводить на принципах системного анализа, рассматривая проблему как единое целое. Разработана новая двухфакторная энергетическая модель и методика расчёта оптимальной формы здания. Энергетическая эффективность здания характеризуется двумя безразмерными величинами: одно число определяет энергетическую составляющую здания, другое - его форму.

Ключевые слова: форма здания, стена, коэффициент компактности здания, этажность здания, лифт, энергосбережение

The Shaping of Buildings. Beauty or Benefit?

By V.K.Savin, N.V.Savina

Energy evaluation of design buildings with different shape and number of storeys was implemented. It is shown that minimization of building's energy consumption should be conducted on the principles of system analysis, considering the problem as a whole. The new two-factor energy model and the method of calculating the optimum shape of the building was developed. Building's energy efficiency is characterized by two dimensionless quantities: one number determines the energy component of the building, the other - its form.

Key words: shape of the building, wall, building compactness ratio, number of storeys, elevator, energy saving

Формообразованием зданий профессионально занимаются учёный, архитектор и инженер. Их совместным трудом создаётся среда обитания человека, которая должна удовлетворять его физиологическим и психоэмоциональным потребностям и не нарушать экологию. Анализ архитектурного формообразования и практического подхода к габаритам строящихся зданий необходим для осмысления настоящего и будущего. Но как соединить воедино «пользу и красоту» с энергетической эффективностью дома? Как одновременно при минимальных энергетических затратах обеспечить комфортные условия проживания человека? Между красотой и пользой зданий существуют антагонистические отношения

- красота требует расточительства энергии, а «польза» - её экономии.

Национальный проект «Доступное и комфортное жильё

- гражданам России» не только не достиг своей социальной цели, но и способствовал увеличению цены на жильё на рын-

ке. Сейчас объёмы нового строительства не удовлетворяют спрос, так как цена 1 кв. м жилья является недоступной для большинства населения.

Проблему формообразования зданий с точки зрения «пользы» необходимо решать в первую очередь с позиций энергосбережения, социальной целесообразности и экологии. Энергосбережение требует уменьшения стоимости одного квадратного метра жилья, а социальная целесообразность - обеспечения 60% населения комфортабельным жильём. Ну а красота? А красота потом, и о ней нельзя забывать [1].

Определение формы и размеров помещений и зданий зависит от их функционального назначения. Жилые здания в плане имеют простую форму в виде квадрата (дома-башни), прямоугольника или сложную с различными выступами и впадинами (дома как нагревательные приборы). Основной формой помещений, как правило, является прямоугольная и редко квадратная или иная. Этажность жилых зданий составляет от одного до 17 этажей и более. Форма и размеры помещений и зданий взаимосвязаны и зависят от рельефа местности, архитектурного окружения, наружного и внутреннего климата и других факторов. К основной единице города относится микрорайон. Он представляет собой объёмную целостную систему архитектурных форм, из которых состоят художественные, функциональные и конструкционные композиции.

Невозможно при строительстве и эксплуатации здания соединить воедино архитектурную выразительность, социальную целесообразность и эффективность и достичь минимального потребления органического топлива. Красота требует строительства зданий с развитой поверхностью наружных стен (домов-нагревательных приборов, домов-башен, небоскребов), то есть возведения энергозатратных зданий, которые «отапливают улицу» (требуются дополнительные затраты энергии на строительство и эксплуатацию) и способствуют глобальному потеплению.

С социальной точки зрения для населения необходимо строить больше квадратных метров жилья, чтобы жилой фонд страны из года в год не сокращался, а увеличивался. С другой стороны, нужно прекратить отапливать улицу, а сбережённую энергию использовать на дополнительное строительство жилья. Оптимальное проектирование (планировка зданий и его помещений) не только позволит экономить энергию, но и уменьшит вредное воздействие на природную среду обитания человека. Необходимо, кроме обеспечения в помещениях комфортных условий, стремиться к уменьшению площади

наружных ограждающих поверхностей зданий и увеличению общей поверхности пола. Таким путём можно добиться энергосбережения и увеличения объёмов строительства жилья.

Математические зависимости влияния формы здания на его теплопотери широко рассматривались многими исследователями, например, Ю.А. Табунщиковым, М.М. Бродач, Н.В. Шилкиным [2]. Нормативным энергетическим показателем, характеризующим архитектурное решение, является коэффициент компактности здания - отношение площади внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций к его отапливаемому объёму (см. СП 50.13330.2012):

V

где к - коэффициент компактности здания, 1/м; Рн - суммарная площадь наружных поверхностей ограждающих конструкций, м2; Гзд - отапливаемый объём здания, м3;

Эта зависимость имеет размерную величину и предполагает, что при одинаковой кубатуре здания площадь наружных поверхностей должна быть минимальной. Анализ расчётов по формуле (1) показывает, что с этой точки зрения наибольшей энергетической эффективностью обладает здание шарообразной формы, затем следует здание-куб. Прямоугольная форма менее эффективна. Энергоэффективность здания при неизменной площади этажа с увеличением этажности повышается. Это положение нашло своё отражение в существующих нормах.

В строительстве единицей измерения продукции считается один квадратный метр площади пола здания, а не площади наружной поверхности ограждающих конструкций. Это является первым недостатком формулы (1). Ко второму её недостатку следует отнести то обстоятельство, что она не безразмерна, и один из главных параметров здания спрятан в его объёме.

Расчёты по формуле (1) показывают, что с точки зрения объёмно-планировочных решений наиболее эффективной формой является многоэтажное здание квадратной формы (в плане), у которого площадь наружного ограждения (стены плюс окна) была бы меньше площади пола. Например, здание квадратной формы 100*100 м с высотой этажа 3 м имеет площадь наружных ограждений Рн=4*3* 100=1200 (м2), а площадь пола 100*100=10000 м2. Здание прямоугольной формы размером 10*1000 м имеет такую же площадь пола 10000 м2, но площадь наружного ограждения 2*3*10+2*3*1000=6060 (м2), то есть в пять раз больше. Из этих позиций, следует важный вывод о том, что строить нужно здания квадратной формы больших размеров. Но такой вывод применим для общественных и производственных зданий, в которых допускается искусственное или совмещённое освещение и механическая вентиляция. Помещения с постоянным пребыванием людей (жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы и интернаты) должны иметь нормируемое естественное освещение. Третий недостаток

расчёта формообразования зданий заключается в том, что в нём не учитываются естественное освещение и естественная вентиляция воздуха помещений.

Из сказанного следует, что формула (1) справедлива только в тех случаях, когда отсутствует естественное освещение, не учитываются естественная малозатратная технология вентиляции воздуха и звукоизоляция помещений.

Для расчёта годовых энергозатрат через оболочку здания физико-математическую модель можно представить в виде:

Q б = ч • р ,

^ об 1 огр огр

где Qоб - годовые энергетические затраты оболочки здания; Чогр- удельные годовые энергетические затраты оболочки здания, кВт-ч/м2; Р = Р + Р - суммарная

' огр ст ок пок пол Г

площадь оболочки здания, м2.

Следует иметь в виду, что в строительстве единицей товара является 1 м2 пола всех помещений здания (Рпол). По этому показателю рассчитываются объёмы жилого фонда и ввода новых квадратных метров зданий. Поэтому удельные энергетические затраты оболочки здания могут быть пересчитаны с помощью безразмерного коэффициента, названного нами коэффициентом компактности здания:

Использовав уравнение (2), получим формулу для такого пересчёта:

п =а -Р - Чогр У

\1->,д Чзд 1 пол — 1 п

где Озд - годовые энергозатраты здания, кВт-ч; дзд - удел ьные годовые энергозатраты здания, кВт-ч/м2;

Из уравнения (5) видно, что между суммарными удельными энергозатратами здания и вертикального ограждения (^огр) существует зависимость:

Придадим последней формуле безразмерный вид. Для этого разделим левую и правую части на единицу энергии, равную 1 кВт-ч:

9э0 = Чого / Ккомп •

Новая двухчисловая энергетическая модель и методика расчёта формы здания

Концепция (общий замысел) работы заключается в том, что мы отдельно рассчитываем энергетическую часть переноса энергии через здание и отдельно его форму:

Чего

комп —

При выборе наиболее энергоэффективного здания уравнение (8) в наших расчётах играет ключевую роль. Оно упрощает решение задачи, так как из множества факторов, участвующих в сложном процессе переноса энергии, можно выделить два главных показателя и оценить их. Так, сначала с помощью одного показателя оценивается процесс переноса энергии через ограждение и выбирается наиболее энер-

120

2 2016

гоэффективная его конструкция. Затем с помощью другого - производится выбор формы здания. В конечном счёте для конкретного региона страны определяется здание, которое обладает наименьшими суммарными эксплуатационными затратами энергии за срок его жизни.

Коэффициент компактности здания зависит от объёмно-планировочного решения его формы. На рисунке 1 показаны планы различных форм зданий, применяемые в массовом строительстве. Математическая зависимость коэффициента компактности здания выражается произведением трёх величин: коэффициента формы ¡^учитывающего компактность здания широкоформатной формы, прямоугольной гладкостен-ной или оребрённой формы, коэффициента этажности квт и коэффициента, учитывающего наличие или отсутствие в здании лифта, к:

Для сравнения различных форм зданий друг с другом было выбрано здание-эталон [4; 5]. Эталоном может служить гладкостенное здание квадратной формы в плане (при ширине х, равной его длине (х^=12 м) с высотой помещения Н=3 м, в котором коэффициент компактности его формы равен единице (рис. 2):

р

к _ -1 пол

КОМП 1-.

р

о гр

12x12 4x12x3

-1

Для других форм здания он, как правило, имеет различные величины. Так, коэффициент компактности широкоформатной формы всегда больше единицы (см. рис 1 б):

Т7,

Я

>1

огр

Рис. 1. Планы объёмно-планировочных решений гладкостен-ных форм зданий: а) здание квадратной формы; б) широкоформатное здание: в) здание в виде параллелепипеда

Например, при ширине корпуса 16 м коэффициент компактности равен:

16x16

— Р

иф _ пол ^игир г-,

огр

4x16x3

= 1,33

Коэффициент компактности прямоугольного здания гладкостенной формы в виде параллелепипеда определяется по формуле (см. рис. 1 в):

/г

—гл _ • поп л л, — "

где =1.

При Н=3 м и L=12 м она превращается в простую формулу:

2х

Рогр 1 + *

Коэффициент компактности при форме здания с оребре-нием всегда меньше единицы (см. рис 1. в):

к°фр

Учёт этажности здания

С точки зрения строительных норм СП 50-13330.2012, при разработке архитектурно-планировочных решений наиболее эффективным зданием является высотное здание (небоскрёб). Если удельный расход энергии, идущей на вентиляцию здания, не зависит от этажности, то удельный расход энергии на его отопление зависит от числа этажей. Наибольший удельный расход энергии на отопление наблюдается в одноэтажных домах, наименьший - в высотных зданиях. Это связано с тем, что на первом и последнем этажах необходимо учитывать теплопотери через пол и покрытие.

Для физического понимания проблемы влияния этажности на форму здания и его энергоэффективность необходимо из формулы (3) удалить энергетическую составляющую, связанную с теплопередачей через покрытие и пол:

итР и I т>тР р п"'Р _ лст ст "ж Г ок

огР ~ /7 + 77 ст ок

Такая процедура позволяет значительно упростить решение задачи без потери точности, так как удельная со-

Рис. 2. Пятиэтажное здание-эталон

ставляющая теплового потока намного меньше оставшейся величины. Точность расчётов восполняется через показатель, который относится к форме здания - кэт. Для его расчёта задаётся эталонная высота этажа. Тогда суммарный учёт расхода энергии производится с помощью коэффициента этажности, который представляет собой отношение расхода энергии одно- и многоэтажных зданий к эталону. В эталонном здании коэффициент этажности обязательно должен быть равным единице. Таким зданием-эталоном может служить пятиэтажное здание, в котором отсутствует лифт:

В этом случае при количестве этажей более пяти коэффициент этажности будет меньше единицы и, наоборот, он увеличивается с уменьшением этажности. Таким образом принимаются в расчёт неучтённые в наших исследованиях площади покрытия и пола здания. Этот коэффициент может быть вычислен на основе пересчёта многочисленных расчётов других исследователей и, в частности, данных таблицы 14 Свода правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». В таблице 1 приведён такой пересчёт.

В формуле (13) связь между светопропусканием окна и его

площадью осуществляется через зависимость [4; 6]:

Тэ

ок ок

где г/, т2 - коэффициенты светопропускания окна здания-эталона и рассматриваемой конструкции.

Последнее уравнение устанавливает связь между тепло- и светотехническими свойствами различных конструкций окон и размерами их площадей в наружном ограждении стены.

требуют устанавливать лифт в зданиях с высотой более шести этажей. Отсюда следует, что в зданиях до пяти этажей коэффициент компактности должен быть равен единице: кэп = 1.

В зданиях с высотой более шести этажей увеличиваются затраты энергии на изготовление и установку лифта, а также затраты на его эксплуатацию. Расчёты экономистов показывают, что затраты в таких зданиях возрастают приблизительно на 20-30% и коэффициент этажности составляет кл = 1,1 - 1,2.

В таблице 2 приведены величины коэффициентов компактности с учётом этажности здания с лифтом и при его отсутствии.

В заключение приведём пример сравнения удельных характеристик расхода тепловой энергии трех зданий: одно -эталонное пятиэтажное здание 12*12 м, другое - пятиэтажное без лифта, третье - девятиэтажное здание. Два последних здания выполнены в виде параллелепипеда шириной 12 м и длиной 60 м. Согласно Своду правил СП 23-101-2004, рекомендуемый уровень теплозащиты окон для области применения 0=3000 °С-сут. равен =0,38 м2 °С/Вт, а для стен -До7=2,5 м20С/Вт. Для эталонного пятиэтажного здания площадь пола и вертикального ограждения составит 12*12 *5=720 м2, площадь окон - 120 м2, стен - 600 м2.

Расчёт

Требуемое сопротивление теплопередаче вертикального ограждения здания равно:

2,5x600 + 0,38x120

ц»<рр . ^тр _^ ш ст

итрн

ок ок

- = 2,1

Рст+Рж 600 + 120

Эксплуатационные годовые удельные энергетические затраты вертикального ограждения находим из формулы:

Чогр = 0,024£>/Д^ =0,024x3000/2,1 = 34,3 (кВт-ч/м2-год) Коэффициент здания гладкостенной формы в виде параллелепипеда при х = 60/12 = 5 определяем по формуле:

Таблица 1. Нормируемая удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий

и величина коэффициента компактности этажности здания

Учёт этажности здания с лифтом и без него

Этот коэффициент должен соотноситься с эталонным коэффициентом этажности здании. Строительные нормы

Характеристики Этажность здания

1 2 5 9 12 и выше

Удельная характеристика, Вт/(м3 • °С/) 0,46 0,41 0,36 0,32 0,29

Коэффициент этажности здания 1,30 1,15 1,0 0,9 0,8

Таблица 2. Нормируемая удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление здания

и величины его коэффициента этажности при наличии лифта и без него

Характеристики Этажность здания

1 2 5 9 12 и выше

Удельная характеристика, Вт/(м3 • °С) 0,46 0,41 0,36 0,32 0,29

Коэффициент компактности с учётом этажности здания 1,30 1,15 1,00 0,90 0,80

Коэффициент компактности здания с лифтом и без 1,00 1,00 1,00 1,10 1,20

122

2 2016

Коэффициенты компактности зданий равны:

Удельные энергетические затраты вертикального ограждения 5-9-этажного здания при его эксплуатации рассчитываются по формуле:

Язд = Яогр'Кош = 34,3/1,7 = 20,7, кВтч/м2год.

Из расчётов видно, что при возведении пяти-девятиэтаж-ных зданий экономия энергии составит 40%.

Выводы

Преимущество предложенной модели и метода расчёта здания состоит в том, что сначала отдельно рассчитывается энергетическая часть переноса энергии через здание и отдельно через его форму, производится оценка параметров, участвующих в процессе переноса энергии через здание. С помощью теории подобия выполнен анализ порядка многочисленных величин, при котором второстепенные характеристики не учитывались. В результате получена простая формула (7), в которой присутствуют два безразмерных показателя. Первый ( ) рассматривает проблему теплопередачи с энергетической стороны,а второй (ктш) - с позиции формообразования. По этой формуле для любого района строительства можно определить энергоэффективное здание. Величина энергосбережения здания определяется по расчёту энергозатрат его вертикальным ограждением (стена-окно) и коэффициенту компактности. В процессе расчёта мы имеем дело с простыми и физически понятными формулами (6), (8) и (13), которые связывают в единое целое междисциплинарные и межотраслевые факторы. При таком решении проблемы оптимизации объёмно-планировочных решений здания достигается социальная целесообразность строительства и энергосбережение. Конкретно это связано с уменьшением доли наружных теплоотдающих поверхностей здания и выбором его этажности.

Модель расчёта зданий отличается от других тем, что она не нарушает взаимосвязанные между собой законы: №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», №384-ФЗ «О безопасности зданий и сооружений» и №52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения».

Литература

1. Хихлуха, Л.В. Основы архитектурной типологии и градостроительные факторы арендного жилья в структуре

жилищного строительства I Л.В. Хихлуха, О.В. Королева II Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2014 году: сборник научных трудов РААСН. - Курск: Деловая полиграфия, 2015.

2. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективные здания I Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин. - М.: АВОК-ПРЕС, 2003. - 200 с.

3. Hawking Stephen. La gran ilusión: Las grandes obras de Albert Einstein. - Critica. - Barcelona, 2010.

4. Савин, В.К. Строительная физика: энергоэкономика I В.К. Савин. - М. Лазурь, 2001. - 418 с.

5. Савин В.К. Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий I В.К. Савин, Н.В. СавинаЦ Academia. Архитектура и строительство. - 2009. - №5.

6. Рекомендации по расчёту светопрозрачных конструкций с учётом светотехнических, теплотехнических, звукоизоляционных качеств и технико-экономических показателей. - М., Стройиздат, 198б. - 8б с.

Literatura

1. Hihluha L. V. Osnovy arhitekturnoj tipologii i gradostroitel'-nye faktory arendnogo zhil'ya v strukture zhilishhnogo stroitel'stva I L.V. Hihluha, O.V. Koroleva II Fundamental'nye issledovaniya RAASN po nauchnomu obespecheniyu razvitiya arhitektury, gradostroitel'stva i stroitel'noj otrasli Rossijskoj Federacii v 2014 godu: sbornik nauchnyh trudov RAASN. - Kursk: Delovaya poligrafiya, 2015.

2. Tabunshhikov Yu.A. Energoeffektivnye zdaniya I Yu.A. Tabunshhikov, M.M. Brodach, N.V. Shilkin. - M.: AVOK-PRES, 2003. - 200 s.

4. Savin V.K. Stroitel'naya fizika: energoekonomika I V.K. Savin. - M. Lazur', 2001. - 418 s.

5. Savin V.K. Dva sposoba uvelicheniya zhilishhnogo fonda strany pri neizmennyh energeticheskih zatratah na stroitel'stvo i ekspluataciyu zdanij I V.K. Savin, N.V. SavinaII Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. - 2009. - №5.

6. Rekomendacii po raschetu svetoprozrachnyh konstrukcij s uchetom svetotehnicheskih, teplotehnicheskih, zvukoizolyacionnyh kachestv i tehniko-ekonomicheskih pokazatelej. - M., Strojizdat, 198б. - 8б s.