Энергоэффективное здание синтез архитектуры и технологии

В последние двадцать лет в градостроительной сфере понятие "экология человека" проявляется в ряде бурно развивающихся научных направлений: здания энергоэффективные, здоровые, интеллектуальные, биоэнергетические и т.д. По каждому из них имеются определенные наработки, тем не менее, содержащие ряд серьезных неопределенностей.

Дело в том, что изучения отдельных локальных направлений недостаточно: необходимо изучать здание как целое в его взаимодействии с потребителем и окружающей средой, чтобы понять принципы гармонии человека, строения и природы. "Исходным пунктом этого является некоторое интуитивное представление, интуитивная убежденность в существовании законов, единых для всей живой и неживой, "разумной" и "неразумной" материи, одухотворенности, осмысленности природы - представление, столь характерное для русской интеллектуальной традиции" (Н. Н. Моисеев). Такие сооружения получили названия Sustainable Buildings, и на Западе работы по созданию науки о них ведутся уже длительное время.

Схема жизнеудерживающего здания (Sustainable Building)

Схематично Sustainable Buildings можно представить состоящими из трех взаимосвязанных понятий: комфортного микроклимата помещений, максимального использоания энергии природы и оптимизированных энергетических элементов здания как единого целого. Поиски взаимодействия и компромисса между этими элементами послужат созданию экологически элитного здания. И это, очевидно, является главной задачей наших специалистов, по крайней мере, в первой половине XXI века.

Энергетически нейтральное здание
Уменьшение потребности в использовании	Использование возобновляемых источников	Оптимальное использование затребованной энергии
Водо-нейтральное здание
Лимитирование потребности в использовании	Использование экологически чистой воды	Эффективный цикл использования
Здание из нейтральных строительных материалов
Снижение потребности в применении материалов	Использование экологически чистых и возобновляемых материалов	Материалы повторного использования

Занимаясь проблемой создания научных основ проектирования энергоэффективных зданий, автор стремился ответить на следующие вопросы:

1. Энергоэффективные здания - нужны ли архитектору инженеру специальные знания для их проектирования?

2. Что такое "энергоэффективное здание": система атлетически независимых инновационных решений или системный подход к зданию как единой энергетической системе и энергетически взаимосвязанные инновационные решения?

3. Как измерить успех (мастерство) архитектора и инженера при проектировании энергоэффективного здания?

4 Могут ли принципы проектирования энергоэффективного здания явиться новым подходом к проектированию любых зданий?

5. Поему до настоящего времени энергоэффективные здания не стали новым архитектурным стилем?

Мировой и отественный опыт проектирования строительства энергоэффективных зданий.

Первое демонстрационное энергоэффективное здание

в городе Манчестере (Нью-Хемпшир. США)

Первоначально проект предполагал строительство 6-этажного здания с площадью каждого этажа 1950 м2 и общей полезной площадью офисов 11700 м2. Была запланирована подземная автостоянки (3900 м2). Здание имело меридиональную ориентацию с соотношением сторон 2:1. Рекомендации по энергосберегающим мероприятиям (вносились к выбору формы и ориентации здания, оптимизации ветрового воздействия на него, повышению теплозащиты и теплоаккумуляционной способности наружных ограждающих конструкций, а также по размещению в них теплоизоляционного слоя, уменьшению площади остекления и использованию солнцезащиты, а также тепла солнечной радиации в системе теплоснабжения здания.

Было установлено, что "размеры и ориентация места застройки ограничивают выбор оптимальной фирмы здания и его ориентацию с точки зрения энергосбережения". Прямоугольная в плане форма здания с длинными фасадами, обращенными к югу и северу, "уменьшает теплопоступления от солнечной радиации в летнее время, при этом в зимнее время, когда солнце расположено низко над горизонтом, имеется возможность использовать теплопоступления от солнечной радиации".

В окончательном варианте здание состоит из двухъярусного гаража, семи офисных этажей и технического чердака. Офисные этажи имеют размеры 40х33,5 м. Общая площадь здания - 16350 м2.

Инфильтрационные теплопотери через наружные ограждающие конструкции, вызванные ветровым воздействием, могут быть уменьшены за счет использования особенностей места застройки или путем оптимизации аэродинамики самого здания - выбора его оптимальной формы по отношению к господствующему направлению ветра или за счет использования ветрозащитных ребер, барьеров и т.п.

Рекомендации по экономии энергии, затрачиваемой на вентиляцию, учитывались следующим образом: "уменьшение объема наружного воздуха путем пересмотра стандартов, создания мест для курения в строго определенных частях здания, группировки внутренних пространств по схожим функциям, замены наружного воздуха рециркуляционным, очищенным посредством системы абсорбирования, а также правильная организация воздухораспределения для снижения потребности в его дополнительных объемах. Энергия, затрачиваемая на нагрев и охлаждение приточного воздуха, может быть уменьшена на 60-75 % за счет применения рекуператоров тепла".

Солнечная энергия рассматривалась как способ "обеспечить наивысший уровень энергосбережения". Кроме того, преследовалась цель изучить технические и экономические возможности ее использования в северных широтах США. Для снижения затрат энергии на освещение была рекомендована система управления искусственным освещением в зависимости от изменения уровня естественного (в качестве эксперимента была установлена только на одном этаже). Большую освещенность создают и светлоокрашенные полы, стены и потолки - благодаря большему взаимному отражению между поверхностями. Избирательное "рабочее освещение" в местах, где оно больше необходимо, наряду с менее интенсивным там, где оно не слишком важно (в гостиных, коридорах, проходах, технических комнатах), эффективнее традиционного постоянного освещения.

Большие открытые пространства внутри здания и "открытая планировка" дают возможность теплоте, выделяемой от источников освещения и людей, равномерно распространяться по всему сооружению. Более того, такой интерьер позволяет более эффективно использовать кондиционированный воздух путем его беспрепятственного перемещения из одного места в другое до рециркуляции.

Здание "EKONO-house" (Отаниеми, Финляндия)

Здание "EKONO-house" было построено в Отаниеми (Otaniemi) близ Хельсинки. Авторы проекта - инженеры фирмы, работавшие под руководством архитектора Хеймо Каутонена (Heimo Kautonen). Энергосберегающие решения были предложены талантливым финским ученым Юхой Габриэльсоном (Juha Gabrielsson). Для выбора оптимальных энергосберегающих решений и расчета их параметров создатели здания "EKONO-house" использовали компьютерное моделирование, выполненное посредством программного пакета "DOE", разработанного американским министерством энергетики (US Department of Energy, DOE). Расчеты велись при помощи спутниковой связи и обошлись фирме "EKONO" в значительную сумму (около миллиона долларов).

Основные инновационные энергосберегающие решения здания "EKONO-house":

- эффективное использование внутреннего объема для минимизации площади ограждающих конструкции и уменьшения через них теплопотерь;

- эффективная теплоизоляция ограждающих конструкции для уменьшения теплопотерь;

- высокая теплоемкость ограждающих конструкций

- Для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания;

- аккумулирование тепла солнечной радиации в основании сооружения для снижения нагрузки на систему отопления;

- применение вентилируемых окон для уменьшения теплопоступлений в летнее время и уменьшения теплопотерь в зимнее время;

- минимальные утечки воздуха (герметичность здания) и низкий расход наружного воздуха в системе вентиляции для снижения затрат энергии на отопление здания;

- эффективное освещение для снижения затрат электрической энергии;

- система автоматического управления оборудованием климатизации и освещением для оптимизации и учета потребления энергии.

Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания "EKONO-house" составило 124 кВт·ч/м2. В то время это было на 50 % ниже чем в административных зданиях Финляндии Подобные здания в США имели еще большее удельное теплопотребление. Ежегодное удельное электропотребление первой секции 79 кВт·ч/м2 что также ниже, чем в Финляндии и США. Удельное теплопотребление второй секции здания "ЕKONO-house" составляет 70 кВт·ч/м2, удельное электропотребление - 57 кВт·ч/м2, что составляет примерно одну треть от энергопотребления традиционных сооружений подобного типа.

Энергоэффективное высотное здание

"Commerzbank" (Франкфурт-на-Майне. Германия)

Строительство этого самого высокого здания в Европе было завершено в мае 1997 года. Оно занимает 24-е место в мире по высоте (259 м, с антенной - 300 м.). Ни одно другое европейское здание не входит в список пятидесяти самых высоких небоскребов мира.

Архитектурно-планировочная концепция

Разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером и его студией "Sir Norman Foster and Partners" (Лондон), здание представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высоток. Большинство из них построено по традиционной модели: полностью кондиционируемые помещения, практически полное отсутствие естественного освещения, центральная организация построения здания и идентичные этажи Commerzbank существенно отличается от этой схемы: в нем используются главным образом естественные освещение и вентиляция, имеется атриум проходящий от уровня земли до самого верхнего этажа из каждого офиса открывается вид на город. Спирально по всему зданию расположены зимние сады - они улучшают микроклимат и создают благоприятную рабочую обстановку.

Горизонтальная проекция строения представляет собой треугольник со скругленными вершинами и немного выпуклыми сторонами. Центральная часть здания, где обычно располагаются лифтовые шахты занята огромным треугольным атриумом, проходящим по всей его высоте и являющимся каналом естественной вентиляции. Каждый этаж имеет три крыла: два выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из 4-этажных зимних садов.

Зеленые "легкие" здания, размещенные по спирали вокруг его треугольной формы, обеспечивают вид на растительность с каждого яруса и создают ощущение пространства, а также являются частью сложной системы естественной вентиляции. Норман Фостер рассматривал растения как нечто большее, чем просто декорация. Великолепные зимние сады являются фундаментальным элементом в его концепции. Расположенные по три с трех сторон света, они отражают ботанический аспект географической направленности: с восточной стороны - азиатская растительность, с южной - средиземноморская, с западной - североамериканская. Открытые пространства садов высотой в четыре этажа обеспечивают внутренние офисные помещения достаточным количеством дневного света. Кроме этого, сотрудники используют их для общения и отдыха.

Лифты, лестничные марши и служебные помещения расположены во всех трех углах. Решетчатые балки, прикрепленные к колоннам, размещенным в углах здания, несут на себе каждый этаж и зимний сад. Такое решение позволило отказаться от колонн внутри здания, обеспечив конструкции дополнительную жесткость.

Ограждающие конструкции здания и солнцезащитные устройства.

Для снижения затрат энергии на климатизацию зданий, а также для организации естественной вентиляции светопрозрачные ограждения офисов двухслойные - уникальный прием в современном высотном строительстве. Внешняя оболочка (первый слой) имеет щелевые отверстия, через которые наружный воздух проникает в полости между слоями. Окна, в том числе и те, которые расположены на верхних этажах, могут быть открыты, что обеспечивает естественную вентиляцию непосредственно до уровня 50-го этажа. Окна, выходящие в атриум, также открываются.

Снижение затрат энергии на отопление объекта достигается использованием теплозащитного остекления с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4-1,6 Вт/(м2·°С). Кроме того, первый слой играет роль защитной оболочки, уменьшающей конвективный тепловой поток, направленный наружу. Зимой в ночное время пространство между внешней и внутренней оболочками фасада герметизируется, образуя статичную воздушную прослойку, обладающую хорошими теплоизоляционными свойствами. Зимние сады обеспечивают дополнительные теплопоступления за счет аккумулирования тепла солнечной радиации.

Затраты энергии на охлаждение здания снижаются благодаря использованию герметичных двойных стеклопакетов, заполненных инертным газом и отражающих инфракрасное излучение. Они установлены в зимних садах, а также в ненесущих стенках по периметру офисных помещений. При этом солнцезащитные устройства устанавливаются между стеклопакетом и внешней светопрозрачной оболочкой здания.

Аэродинамика и система естественной вентиляции здания.

Высотное здание разделяется по вертикали на четыре 12-этажных модуля, называемых "деревнями". Каждый имеет три 4-этажных зимних сада, соединенных вертикально посредством центрального атриума для повышения эффективности естественной вентиляции. Модуль контролируется собственной независимой установкой климатизации. Через 12 этажей на границах модулей атриум разделен горизонтально для выравнивания давления и защиты от распространения дыма. Сады, атриум и офисные помещения по периметру имеют открываемые окна, естественным образом чаще всего осуществляется и вентиляция офисов.

При разработке проекта вентиляции для изучения ветрового напора на здание и воздушных потоков в атриуме использовались аэродинамические исследования и методы компьютерного моделирования. Выбор ориентации объекта относительно преобладающего направления ветра позволил обеспечить достаточную естественную вентиляцию. В течение двух третей года сотрудники банка могут регулировать ее уровень, просто открывая окна. Только при сложных погодных условиях задействуется система механической вентиляции. Благодаря такой схеме энергопотребление в высотном здании "Commerzbank" на 30 % ниже, чем в традиционных небоскребах таких же размеров.

Вентиляция внутренних зон может осуществляться при помощи механической системы, обеспечивающей минимальную кратность воздухообмена для обеспечения комфортных параметров микроклимата. Температура помещений регулируется отопительными установками, расположенными по периметру здания, и охлаждаемыми перекрытиями с замоноличенными трубопроводами. Внутренний (выходящий в атриум) фасад оборудован наклонно-поворотными окнами со встроенными выходными демпферами (маленькими поворотными окнами) и имеет одинарное остекление. Наружный двойной фасад состоит из одинарного и многослойного остекления, обеспечивающего солнцезащиту. Сквозь вентилируемые полости в фасаде воздух проникает в верхнюю часть каждого помещения и выходит через жалюзи рядом с поворотными окнами.

В зимний период естественная вентиляция всех офисных помещений, расположенных по периметру, обеспечивает комфортные параметры микроклимата в остальных помещениях, механическая вентиляция позволяет одновременно экономить энергию за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. Естественная вентиляция внутренних (смежных с зимним садом) помещений эффективнее, чем офисов, расположенных по периметру, поскольку зимние сады действуют как термальные буферные зоны (прямая или рассеянная солнечная радиация помогает обогревать все помещение).

Открытие окон наклонно-поворотного типа имеет смысл, когда сила ветра умеренная. В таких случаях кратность воздухообмена в помещении 4-6 1/ч. При высокой скорости ветра и температуре ниже +15°С применяется механическая система вентиляции и дополнительный обогрев, при необходимости и увлажнение. Каждый находящийся в комнате может использовать любой способ проветривания и обогрева.

В ночное время прохладный наружный воздух охлаждает теплоемкие части здания, а перекрытия с замоноличенными трубопроводами высвобождают тепловую энергию. Благодаря этому приблизительно половина площадей обеспечена прохладной температурой на следующий день (в диапазоне от 21°С в 8 час. утра до 28,5°С в 18 час. вечера) без воздушного кондиционирования.

Использование естественного освещения.

Использование естественного освещения не только значительно снижает эксплуатационные затраты, но и улучшает психологический комфорт людей, находящихся в здании. В соответствии с требованиями Германского строительного стандарта все сотрудники размещаются на расстоянии не большем, чем 7,5 м, от окон. Прозрачность здания и стеклянные перегородки между офисными помещениями и коридорами позволяют обеспечить дневным светом все рабочие места. На каждом этаже одна из треугольных секций открыта и составляет часть зимнего сада. Такая конструкция позволяет каждому офису иметь вид либо на город, либо на атриум и сад.

Район VIIKKI (Хельсинки, Финляндия) -

новый взгляд на энергосбережение и экологию

Район VIIKKI - экологически чистая территория сельского типа площадью 1132 га, которую частично использовал для научных целей Технологический университет Хельсинки. Строительство демонстрационного энергоэффективного района EKOVIIKKI осуществлялось в соответствии с программой Европейского сообщества Thermie, состоящей из девяти европейских экспериментальных проектов. Руководство финским проектом было возложено на Технологический университет Хельсинки.

Инициаторы проекта пришли к выводу, что энергосберегающие площади не легко продать клиенту, так как они требуют дополнительных затрат, которые окупятся не скоро. Поэтому к новому экспериментальному жилому району VIIKKI подошли в первую очередь не как к энергосберегающему, а как к жизнеподдерживающему (sustainable) долговременному строительству. Цель проекта - выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами.

Проектированию района предшествовал конкурс. Проекты должны были отвечать социальным, экологическим и энергетическим требованиям, разработанным Городским советом Хельсинки.

Социальные требования:

- создание городской архитектуры, обеспечивающей высокое качество среды обитания людей;

- сохранение окружающей среды;

- создание разнообразных функциональных особенностей жизнедеятельности района;

- экономичность при поддержании жизненного цикла.

Экологические и энергетические требования:

- отказ от использования технологических процессов и источников энергии, загрязняющих окружающую среду;

- сокращение использования природного топлива;

- увеличение объема использования возобновляемых источников энергии;

- повышение качества микроклимата помещений;

- утилизация тепла и повторное использование водных ресурсов.

Энергоснабжение района - это комбинация районного тепло- и электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. При разработке проекта были использованы новейшие концепции интеграции солнечных систем в здание. В экспериментальном районе нашла применение крупнейшая в Финляндии установка по использованию солнечной энергии. Система состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1248 м2, обеспечивающих централизованное теплоснабжение и в некоторых случаях подогрев пола. В районе VIIKKI демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, возможности пассивного использования солнечной радиации, параллельное применение систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, модули солнечных коллекторов большой площади (с размером блока 10 м2). Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома под оптимальным углом 47-60°, соответствующим положению солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии.

При проектировании систем отопления и вентиляции жилых домов были применены следующие технические решения, повышающие их энергетическую эффективность:

- использование тепла обратной воды системы теплоснабжения для напольного отопления;

- утилизация тепла удаляемого воздуха;

- индивидуальная механическая вентиляция с рекуперацией тепла раздельно для каждого жилого помещения;

- повышение эффективности систем естественной вентиляции за счет специальной конструкции дефлекторов;

- вентиляция помещений при помощи предварительного подогрева наружного воздуха, подаваемого через окна или остекленные балконы;

- использование низкотемпературных отопительных систем;

- использование солнечных коллекторов, подключенных к магистралям горячей воды;

- использование счетчиков тепла и индивидуальный контроль температуры в каждой квартире.

Ограждающие конструкции выполнены из энергосберегающих материалов с эффективной теплоизоляцией, наружные стены из деревянных элементов, изготовленных в заводских условиях, слоистая фасадная облицовка выполнена из бумажных отходов. Конструкция пола представляет собой комбинацию системы напольного отопления с сохраняющим тепло бетонным основанием.

Энергоэффективное демонстрационное

многоэтажное жилое здание в Москве

Целью этого проекта являлось создание, натурная апробация и последующее внедрение в жилищное строительство новейших технологий и оборудования, обеспечивающих, как минимум, двукратное снижение энергозатрат на эксплуатацию жилого фонда.

Базовой для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 11-355.МО. Она наиболее полно отвечает требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений и по своим энергосберегающим показателям перспективна для жилищного строительства. Типовой проект этой серии разработан 53-м Центральным проектным институтом Министерства обороны России и согласован в установленном порядке для массового строительства на территории Российской Федерации.

При выборе энергоэффективных мероприятий, использованных при проектировании и строительстве многоэтажного жилого дома в Никулино-2, разработчики руководствовались следующими основополагающими научными предпосылками:

- энергосберегающая политика XXI века будет основана на применении технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии;

- здание является единой энергетической системой, все элементы которой (ограждающие конструкции, системы отопления, вентиляции, кондиционирования и тепло- энергоснабжения) взаимосвязаны, поэтому проект представляет собой не простое суммирование ряда энергосберегающих решений, а результат выбора на основе научных методов технических решений, наилучшим образом отвечающих поставленной цели;

- приоритетность при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещении.

Проект "Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2" был реализован в 1998-2002 годы Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, НП "АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках Долгосрочной программы энергосбережения в городе Москве, утвержденной совместным постановлением Правительства Москвы и Миннауки РФ (№ 36-РП-6,15 января 1998 г.).

Участники проекта: головная научная организация - Ассоциация "НП АВОК"; головная организация по инновационному инженерному оборудованию - ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ"; генеральный проектировщик - 53 ЦПИ МО РФ; генеральный подрядчик по инновационной части проекта - ЗАО "Прим Экострой"; оперативное руководство проектом - ЦОПУ КС МО РФ.

Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, члена-коррсспондента РААСН Ю. А. Табунщикова и под общим руководством доктора технических наук, генерал-лейтенанта В. Ф. Аистова. Со стороны Правительства Москвы проект курировали специалисты Комплекса архитектуры, строительства, развития и реконструкции юрода и Управление топливно-энергетического хозяйства города.

Энергоэффективные мероприятия при проектировании и строительстве много ножною жилого дома:

- теплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и утилизацию тепла удаляемого вентиляционною воздуха;

- система вентиляции с механической вытяжкой и естественным притоком через авторегулируемые воздухозаборные устройства в оконных переплетах, обеспечивающая нормативный воздухообмен при установке герметичных окон;

- утилизация теплоты удаляемого вентиляционного воздуха;

- двухтрубная горизонтальная поквартирная система отопления (с установлением теплосчетчиков на лестничных площадках и термостатических вентилей на каждом отопительном приборе, обеспечивающих возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях);

- наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой.

Теплоэнергоснабжение здания

Теплоэнергоснабжение здания в Никулино-2 осуществляется от двух источником:

- тепловые насосы, использующие тепло земли и тепло удаляемого воздуха для горячего водоснабжения;

- внешний источник тепловой и электрической энергии (централизованное теплоснабжение и энергосистема города).

В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение. Преимущества технологий, использующих тепловые насосы, в сравнении с их традиционными аналогами не только в значительном сокращении затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и в их экологической чистоте, а также повышении степени автономности систем теплоснабжения. В рамках описываемою проекта в России впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажною жилого дома.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии дня испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха (возможность использования тепла сточных вод в данном проекте не была реализована.)

Научные основы проектирования энергоэффективных зданий

Методология системного анализа

При проектировании системы климатизации и теплозащиты здания всегда возможно альтернативное решение. Чем дороже и масштабнее проектируемый объект, тем большую опасность представляют "волевые" решения, опирающиеся на интуицию, опыт и здравый смысл или наиболее распространенный в наше время метод проб и ошибок. Такие решения не всегда возможны в условиях быстро меняющихся техники и технологии. Каждый вариант выбора в этом случае обладает и преимуществами и недостатками, причем ввиду многообразия факторов не сразу ясно, какой из них предпочтительнее.

Потому-то и необходимо применить научный метод, который позволяет вести поиск "наилучшего решения" - заранее оценить последствия, отбросить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные. В современной науке методом такого поиска является системный анализ, учитывающий сложную информацию различной физической природы2,3. Истоки системного анализа - в теории исследования операций и общей теории управления. Этот научный метод уже показал свои большие возможности, однако его нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил, применение которых автоматически решает сложную задачу.

Заметим, что "окончательное принятие решения" выходит за рамки исследований и относится к компетенции ответственного лица, чаще - группы лиц, которые при выборе учитывают также другие обстоятельства и факторы. Но следует помнить, что анализ каждой сложной системы - уникальная проблема, требующая не только разносторонности, но также изобретательности и таланта. Это творческий процесс, в котором любое руководство должно лишь быть помощником.

Математическая модель и целевая функция для

энергоэффективного здания.

Основываясь на системном анализе, математическую модель теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных математических моделей^1,4,5

- модели теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание;

- модели теплоаккумуляционных характеристик оболочки здания;

- модели теплоэнергетического баланса помещений здания.

Оптимизационная задача для энергоэффективного здания - это определение показателей архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии на создание микроклимата в его помещениях. В обобщенном математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать так:

Q_min=F(a_i)

где
Q_min - минимальный расход энергии на создание микроклимата в помещениях;

a_i - показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии.

Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания/

Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора его формы (если оно прямоугольной формы, принимаются в расчет такие параметры, как его размеры и ориентация), расположения и площадей заполнения световых проемов, регулирования фильтрационных потоков. Например, удачный выбор ориентации и размеров здания прямоугольной формы дает возможность в теплый период года уменьшить воздействие солнечной радиации на его оболочку, следовательно, снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период - увеличить воздействие солнечной радиации, уменьшив затраты на отопление. Аналогичные результаты будут получены при удачной ориентации и правильных размерах здания по отношению к воздействию ветра на его тепловой баланс.

Методология проектирования систем отопления, вентиляции, кондиционирования основана на расчетах тепловых и воздушных балансов здания для характерных периодов года. В России оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора его формы и ориентации даст следующие результаты:

- для наиболее холодной пятидневки - снижение установочной мощности системы отопления;

- для отопительного периода - снижение затрат теплоты на отопление;

- для самого жаркого месяца - снижение установочной мощности системы кондиционирования воздуха;

- для периода охлаждения - снижение затрат энергии на охлаждение здания;

- для расчетного года - снижение затрат энергии на обогрев и охлаждение здания.

Оптимизировать теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно для любого характерного периода времени. Важно отметить, что изменение формы здания или его размеров и ориентации с целью оптимизации влияния наружного климата на его тепловой баланс не требует изменения площадей или объема здания - они сохраняются фиксированными.

(Решение задачи по выбору оптимальной формы здания приведено в сноске 8, а по выбору оптимальных размеров и ориентации здания прямоугольной формы, а также значения показателя тепловой эффективности проектного решения - в сноске 9).

Оптимизация теплозащиты наружных ограждающих конструкций

Наружные ограждающие конструкции делятся на светонепроницаемые (стены, покрытия, перекрытия) и светопроницаемые (заполнения световых проемов) с солнцезащитными устройствами. Задача определения оптимальных теплотехнических показателей наружных ограждающих конструкций формулируется в зависимости от совокупности требований, которые к ним предъявляются. Например, могут существовать следующие формулировки:

1. Для зданий с "прерывистым" режимом отопления:

"Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при нормативном значении сопротивления теплопередаче обеспечивают минимальный расход энергии в период "натопа" помещения".

2. Для зданий, расположенных в сейсмически опасных районах: "Определить теплотехнические показатели наружных стен, которые при заданной толщине (или весе) конструкции обеспечивают наибольшее сопротивление теплопередаче и наибольшее сквозное затухание наружных тепловых воздействий".

3. Для зданий, расположенных в теплом (жарком) климате: "Определить геометрические параметры солнцезащитных устройств, которые в холодный период года обеспечивают максимальные поступления солнечной радиации в помещение, а в теплый (жаркий) период - минимальные".

В традиционном понимании оптимизация теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий - это метод вычисления толщины теплоизоляции конструкции "по минимуму приведенных затрат". Математическая модель приведенных затрат в общем случае включает в себя два показателя: затраты на производство конструкций (единовременные) и затраты на их использование (эксплуатационные). Расчет теплоизоляции "по минимуму приведенных затрат" - объективный метод, признанный во всем мире. Но он отражает объективную реальность существующей в стране экономической ситуации, которая может явиться непреодолимым препятствием реализации метода на практике.

Современное понимание предлагает решение, которое с учетом принятых ограничений является наиболее предпочтительным. Современные методы - это методы исследования операций. (Возможность решения проблемы теплоэнергетической оптимизации ограждающих конструкций в ее современном понимании и современными методами показана в ряде работ). Рассмотрим это более подробно.

Требования, предъявляемые к наружным ограждающим конструкциям:

- высокий уровень теплозащиты (в холодный период) в условиях теплопередачи, близкой к стационарному режиму;

- высокий уровень теплоустойчивости (в теплый и холодный периоды) в условиях теплопередачи, близкой к периодическому режиму;

- низкая энергоемкость внутренних слоев при колебаниях теплового потока внутри помещения;

- высокая степень воздухонепроницаемости;

- низкая влагоемкость и прочее.

Практика показывает, что при проектировании удовлетворяются, в первую очередь главные требования. Как правило, не более двух - теплозащита и теплоустойчивость. Оптимизация здесь возможна за счет проектирования методом и исследования операций ограждающей конструкции, которая оптимальным образом удовлетворяла бы требуемым (нормативным) значениям теплозащиты и теплоустойчивости.

Оптимизация систем климатизации здания

Система климатизации представляет собой совокупность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Обоснование выбора типа (вида) системы климатизации здания имеет своей целью минимизировать затраты энергии на создание требуемого (нормативного) теплового режима. Выбор типа (вида) системы климатизации есть результат решения "задачи оптимального управления": найти такое управление расходом энергии Q(τ), затрачиваемой на теплоснабжение здания (помещения), которое удовлетворяет уравнению теплового баланса помещения с соответствующими ограничениями и для которого выполняется условие

∫Q(τ)dτ → min

Управление, дающее решение поставленной задачи, и называется оптимальным. Решение задачи оптимального управления" определяет оптимальную раздачу энергии по помещению и оптимальное управление расходом энергии на климатизацию здания. По этим двум показателям проектировщик подбирает тип (вид) системы климатизации здания (помещения).

Энергоэффективное здание как синтез мастерства архитектора и инженера

При проектировании архитектор решает задачу - наилучшим образом использовать положительное и максимально нейтрализовать отрицательное воздействие наружного климата на тепловой баланс здания. Задача инженера - организация такой системы климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечит требуемые параметры микроклимата в помещениях.

Возникает естественный вопрос: насколько удачно архитектору и инженеру удалось решить свои задачи по проектированию энергоэффективного здания? Качественная оценка результата вряд ли удовлетворит строгого заказчика: он пожелает иметь объективную количественную. Ему может быть предложена, например, удельная тепловая характеристика здания, отнесенная к одному из расчетных климатических периодов. Этот показатель позволяет сравнить достигнутый уровень с уже существующим, но не дает ответа на вопрос - ее ли возможное сделано. Очевидно, что лучшим результатом работы архитектора и инженера является оптимальное энергоэффективное здание, обеспечивающее минимум расхода энергии в системах его климатизации. Современные методы математического системного анализа позволяют находить такие оптимальные архитектурные и инженерные решения.

Архитектурные решения

1. Выбор местоположения здания с учетом климатических особенностей, рельефа местности и существующей застройки в районе предполагаемого строительства.

2. Общая архитектурно-планировочная концепция здания.

2. Определение формы и ориентации здания.

4. Выбор остекления здания (площади и расположения светопроемов) и солнцезащиты.

4. Выбор конструкции и материалов наружной облицовки.

6. Выбор объемно-планировочных решений здания (внутренней планировки).

7. Выбор схемы организации освещения

Инженерные решения

1. Выбор источников теплоснабжения, в том числе возможность использования нетрадиционных источников энергии - солнечных, геотермальных, ветровых и т.д.

2 Выбор системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха здания.

3. Выбор конструкции и материалов наружных ограждений.

4. Выбор системы автоматического (автоматизированного) управления инженерным оборудованием здания.

Будем характеризовать энергетическую эффективней к. здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями величиной затрат энергии на его климатизацию и обозначим эту величину Wmin.

Об уровне мастерства архитектора и инженера с точки зрения энергоэффективности здания можно судить, используя соотношение

Wmin
η = W
,которое показывает, насколько представленное решение здания отличается от оптимального. Здесь Wmin - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями, W - затраты энергии на климатизацию представленного проектного решения здания.

Очевидно, что этот критерий удовлетворит требовательного заказчика, так как позволит ему судить, насколько удачно он выбрал исполнителей (архитектора и инженера) и насколько разумно они учли его желание: минимизировать эксплуатационные затраты на климатизацию здания. Величина η изменяется в пределах от 0 до 1. Чем ближе величина η к 1, тем ближе выбранные архитектурные и инженерные решения к оптимальным решениям и тем выше мастерство архитектора и инженера.

В соответствии с системным подходом к проектированию энергоэффективного здания величину n можно записать так: η=ηAηE где,

QAmin
ηA = W

QEmin
ηE = W

QAmin - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями;

QEmin - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными инженерными решениями. Теперь na можно трактовать как показатель мастерства архитектора, а ane - как показатель мастерства инженера.

Литература:

1. Табунщиков Ю. А., Бродач M. M. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. M.: ABOK-ПРЕСС, 2002.

2. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. M.: Наука, 1981.

3. Вентцель Е. С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. M.: Наука, 1988/

4. Табунщиков Ю. А. Основы математического моделирования теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы. Докторская диссертация. M.: НИИСФ, 1983.

5. Табунщиков Ю. А., Хромец Д. Ю., Матросов Ю. А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. M.: Стройиздат, 1986.

6. Tabunschikov Y. Mathematical models of thermal conditions in buildings. CRC Press, USA, 1993.

7. Jurobic S. A. An investigation of the minimization of building energy load through optimization techniques - Los Angeles scientific center, 1MB Corporation, Los Angeles, California.

8. Бродач M. M. Изопериметрическая оптимизация солнечной энергоактивности зданий / Гелиотехника 2. Ташкент, 1990.

9. Бродач M. M. Энергетический паспорт зданий. АВОК, 1993. No 1/2.

10. Klaus Daniels. The Technology of Ecological Building - Birkhauser-VerlagfurArhitektur. Basel, 1997.

11. Табунщиков Ю. А., Бродач M. M., Шилкин Н. В. Теплоэнергетические нормативы для теплозащиты зданий. АВОК, 2001, № 4.

Автор: Ю. А. Табунщиков, член-корреспондент РААСН

http://konkurs.stroi.ru/detailview.asp?d=2498&dc=2498&dr=150677

Интересно почитать