О. В. Бумаженко
18.04.2015 г.

  На главную раздела "Научные работы"


4. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО.

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ И ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ


          В силу очевидного довлеющего значения финансовых и общеэкономических факторов приоритетными задачами современной строительной науки и практики стали задачи повышения энергетической эффективности проектируемых и реконструируемых архитектурно-градостроительных объектов. Критическая острота энергетических проблем, необходимость экстренных мер в условиях недостатка средств предопределили относительно узкую - энергетическую направленность предпринимаемых действий. Это обстоятельство привело к некоторой автономности рассмотрения общеэкологических и энергетических аспектов строительной деятельности, выделению нескольких направлений в рамках альтернативного строительства, а в конечном счете - фрагментарности решения стоящих перед ним задач. С другой стороны, практика альтернативного строительства выражается сегодня объектами, преимущественно, небольшого масштаба, что обусловлено все еще экспериментальным характером данной деятельности и, следовательно, сопряженным с ней экономическим риском (сдерживающим рост негосударственных инвестиций), а также отсутствием достаточных средств для реализации крупных градостроительных проектов, даже в экономически благополучных странах. Как следствие, проблематика, составляющая предмет исследований очевидного большинства научных организаций, производственных предприятий, а также печатных изданий, специализирующихся на вопросах строительства, свидетельствует о том, что в целом развитие архитектурно-строительного процесса определяет сегодня энергоэффективное строительство.

          Как показывают приведенные выше результаты прогнозирования энергетических перспектив развития общества, наиболее выигрышны сегодня два пути повышения энергоэффективности объектов строительства:

          1) экономией энергии (снижением энергопотребления и энергопотерь, в т.ч. утилизацией энергетически ценных отходов);

          2) привлечением возобновляемых природных источников энергии.

          Мероприятия, соответствующие преимущественной ориентации на один из этих путей, имеют принципиальные отличия и позволяют выделить два класса энергоэффективных зданий.

          1) Энергоэкономичные здания - в основном, не используют энергию природной среды (т.е. альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления, большей частью, за счет усовершенствования систем их инженерного обеспечения (как наиболее "энергоемких" составляющих энергетического "каркаса" здания), конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой (наружных ограждений, окон и т.п.), а также оптимизации архитектурных решений, направленной на сокращение энергопотерь (повышение компактности объемов, сокращение площади остекления, использование градостроительных приемов и архитектурных форм, нивелирующих отрицательные воздействия природно-антропогенных факторов внешней среды - ветра, солнца и т.п.).

          2) Энергоактивные здания - ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды (природно-климатических факторов внешней среды) в целях частичного или полного (автономного) энергообеспечения посредством комплекса мероприятий, основанных на применении объемно-планировочных, ландшафтно-градостроительных, инженерно-технических, конструктивных средств, которые предполагают ориентированность пространств, архитектурных форм и технических систем на энергетические источники внешней среды (солнце, ветер, грунт и др.)

          Однако очевидно, что в целом энергоэкономичность и энергоактивность зданий следует трактовать не как антагонистичные свойства, а как два уровня решения единого комплекса энергетических и экологических проблем: если средства повышения энергоэкономичности имеют интенсивный (“интравертный”) характер, обеспечивая оптимальный расход энергии, то энергоактивность - помимо энергоэкономичности - предполагает использование наиболее эффективные возобновляемые ее источники и имеет, таким образом, экстенсивный характер. Выделение энергоэкономичных и энергоактивных зданий в два класса в наибольшей мере обусловлено технологическими и экономическими особенностями их проектирования и строительства.

4.1. ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ ЗДАНИЯ


          Не нуждается в доказательствах утверждение, что снижение энергопотребления возможно только при условии строгого контроля и регулирования поступления и расхода энергии в зданиях, которые определяются необходимостью создания и поддержания требуемых микроклиматических параметров в различных помещениях в зависимости от условий внешней среды. Поэтому, центральное место в процессе проектирования энергоэффективных зданий (в т.ч. в условиях реконструкции) занимает оценка и регулирование энергетического баланса, т.е. структуры и величины энергопоступлений от различных источников и фактических энергозатрат, как в целом по зданию, так и в отдельных его помещениях.

          В общем виде структура энергетического баланса любого здания (помещения) выглядит следующим образом.

 Таб.5. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗДАНИЙ И ПОМЕЩЕНИЙ.
 энергопоступления энергозатраты
полезные
 бесполезные
1. Энергия для:
- отопления,
- охлаждения,
- искусственной вентиляции,
- горячего водоснабжения,
- искусственного освещения.

2. Энергия от:
- солнца,
- людей,
- оборудования.
1. Фактические затраты на:
 - отопление,
 - охлаждение,
 - искусственную вентиляцию,
 - горячее водоснабжение,
 - искусственное освещение,
 - эксплуатацию бытовой
 техники и оборудования.



1. Потери энергии:
- теплопередачей через ограждающие конструкции,
- воздухообменом через ограждающие конструкции,
- воздухообменом через вентиляционные системы,
- при транспортировке,
- при преобразованиях.

2. Перерасход энергии:
- вследствие нерациональных действий пользователей оборудования,
- в виде“избыточных” энергопоступлений,
- вследствие борьбы с “избыточными” энергопоступлениями.

          Понятно, что доли (удельные значения) того или иного вида энергозатрат меняются в зависимости от типа здания, природно-климатических условий, эффективности систем инженерного обеспечения и эксплуатационных качеств конструкций. Однако, данные исследователей большинства государств, озабоченных проблемами энергосбережения в строительстве, показывают, что наибольшие энергозатраты приходятся, как правило, на:

          - отопление и покрытие энергопотерь при отоплении (европейские страны и Россия: основные статьи энергозатрат жилых зданий, составляющие до 60% от общего объема энергопотребления);

          - охлаждение, т.е. кондиционирование воздуха (США, Япония: на системы кондиционирования воздуха во многих случаях приходится до 50% от общих энергозатрат на инженерное обеспечение зданий [1], что стало одной из причин наметившейся в последние годы в строительстве западных стран тенденции к отказу от использования механических СКВ в зданиях, вследствие внедрения более эффективных решений по использованию естественных - природных и конструктивных - средств регулирования микроклимата);

          - искусственное освещение, затраты на которое в балансе энергопотребления крупных административных зданий и больниц могут составлять до 50% от общей суммы.

          Вот данные Исследовательского отдела American Institute of Architects (Американского Института Архитекторов) по энергопотреблению основных типов зданий, построенных во второй половине 1970-х годов [10]:

 Таб.6. СТРУКТУРА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ЗДАНИЙ (США).
потребности в
энергии, %
приходящейся на:
школы
жилые
здания
админи-
стративные
здания
боль-
ницы
торговые
здания
А. Отопление 15 50 11 10 15
Б. Вентиляция и
кондициониро-
вание воздуха,
техника
 45 30 39 40 45
В. Искусственное
освещение
 40 20 50 50 40
Всего:
 100 100 100 100 100

          Даже беглый взгляд на приведенную общую структуру энергетического баланса зданий позволяет увидеть основные пути повышения их энергоэффективности. В частности, это:

          а) всемерное снижение энергопотерь через ограждающие конструкции (в основном, за счет повыше-ния компактности объемов, а также герметичности и теплоизоляционных свойств ограждений);

          б) снижение энергопотерь при транспортировке энергии (в России, к примеру, потери электроэнергии при ее транспортировке по воздушным ЛЭП составляют до 20%; в теплосетях потери энергии составляют 1-2% на каждые 100 п.м. трассы [1]);

          в) утилизация энергетически ценных "отходов" систем инженерного обеспечения - вентвыбросов, канализационных стоков и т.п. (к примеру, в жилых зданиях, по данным датских специалистов, с вентвыбросами теряется до 40% всего тепла [16]);

          г) оптимизация энергозатрат в системах инженерного обеспечения на основе оперативного учета изменения параметров внешней среды, устранение эффектов "излишнего обеспечения" (отопления, освещения и т.п.) и снижение кратности воздухообмена;

          д) снижение энергопотребления системам инженерного обеспечения, оборудованием и техникой в целом, совершенствование их технико-экономических показателей;

          е) целенаправленное использование энергетических ресурсов внешней среды - солнца, ветра, грунта, воды, воздуха и др.;

          ж) смена стереотипов поведения людей при потреблении энергоресурсов (в частности, при использовании бытовой техники) в целях их экономного расходования.

          Экономический эффект от различных энергосберегающих мероприятий, проводимых в соответствии данным принципам в условиях России, отечественные специалисты оценивают, в целом, следующим образом [1].

 Таб.7. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ В ЗДАНИЯХ.
 разделы проектирования экономия,
 % в год
 1. Воспитание сознания потребителя 5 - 7
 2. Совершенствование архитектурно-строительных решений
 и функциональных пространств (повышение компактности
 зданий и застройки в целом, снижение степени остекления
 наружных ограждений и т.п.)
 8 - 10
 3. Разработка новых типов наружных ограждений
 с улучшенными теплоизоляционными характеристиками
 и многофункциональным назначением
 8 - 12
 4. Повышение эффективности систем отопления,
 вентиляции и кондиционирования воздуха:
- утилизация теплоты вентвыбросов
- автоматизация систем управления и контроля
 

 10 - 12
 20 - 30
 5. Повышение эффективности систем естественного
 и искусственного освещения
 6 - 8

          При этом привлечение нетрадиционных источников энергии (солнца, ветра, вторичных ресурсов и т.п.), по расчетам этих же специалистов, может обеспечивать от 15% до 40% снижения энергопотребления ежегодно.

          (Имея в виду, что средняя норма прибыли в большинстве развитых стран мира составляет 10-15%, можно говорить о достаточно высокой экономической эффективности энергосберегающих мероприятий, что сообщает им очень важную сегодня коммерческую привлекательность).

          По другим данным, потенциал энергосбережения в различных сферах деятельности оценивается следующим образом [1]:

 Таб.8. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ.
 направления энергосберегающих мероприятий возможная
 эффективность
 в % от общей
 1. Воспитание энергетической дисциплины потребителя 10 - 15
 2. Архитектурно-планировочные мероприятия  5 - 20
 3. Повышение теплозащитных свойств
 наружных ограждений (в т.ч. светопрозрачных)
 15 - 50
 4. Совершенствование систем инженерного обеспечения  30 - 80

          Как видно, наиболее высокие показатели энергетической эффективности относятся к оптимизации работы систем инженерного обеспечения и использованию энергии природной среды. Однако, экономическая эффективность мероприятий, предполагаемых двумя этими направлениями деятельности, отнюдь не одинакова: результаты реализованных различными европейскими странами программ по энергосбережению в строительстве показывают, что сроки окупаемости большинства энергосберегающих технологий колеблются от 2 до 5 лет. Но при этом сроки окупаемости технологий, ориентированных на использование нетрадиционных источников энергии, составляют 8 - 20 лет, что, безусловно, существенно сдерживает их распространение.

          Данное обстоятельство в совокупности с преобладающим традиционным (предполагающим быструю оборачиваемость капитала) подходом к оценке экономической эффективности, что во многом обусловлено затяжным экономическим спадом, наблюдающемся в большинстве развитых стран, к сожалению, жестко артикулировало отношение к энергоэкономичным и энергоактивным зданиям как к принципиально отличным друг от друга по постановке проектных задач, средствам их решения и масштабам требуемых капиталовложений. Весьма высокая энергетическая эффективность и сравнительно непродолжительные сроки окупаемости инженерных средств повышения энергоэффективности зданий в условиях финансового дефицита не только определили сегодняшнюю приоритетность энергоэкономичного строительства относительно энергоактивного, но и обусловили формирование тревожной тенденции к абсолютизации значения технических средств энергосбережения, которая выражается в сознательном ограничении проектных задач уровнем "прямой" энергетической экономичности, не учитывающей экологических аспектов строительной деятельности, что существенно снижает вероятность успешного "вывода" массового проектирования и строительства в стремительно приближающейся перспективе на энергоактивный "уровень", требующий, по утверждению американских ученых, качественно иного опыта [11]

          Тем не менее, в среде западных специалистов активное развитие данной тенденции не вызывает серьезного беспокойства, т.к. по их мнению, сознание массового потребителя еще не готово к адекватному восприятию революционных энергетических технологий, являющихся атрибутом энергоактивных зданий и требующих смены стереотипов восприятия и поведения человека в отношении природной среды. Энерго-экономичное строительство, таким образом, знаменует переходный период на пути к новому качеству архитектурно-строительной деятельности и призвано подготовить сознание людей к новым нормам и условиям жизнедеятельности доступными им сегодня методами и средствами [11].

          В этом плане "самым прогрессивным продуктом современного строительства", появившимся в 1980-е годы, западные аналитики считают так называемое Intelligent Building (IB - "здание, сделанное с умом"), или иначе - Computer Integrated Building (CIB - "интеграционная система для зданий"). Это сооружение, в котором по определению специалистов из Washington Intelligent Building Institution (США), "объединение систем управления и обслуживания посредством координированного использования ресурсов позволяет интерьерам иметь высокие характеристики функциональности и гибкости и одновременно сдерживать стоимость строительства и эксплуатации" [3]. Суть этого объединения выражается целенаправленным интегрированием в единый системный комплекс всех важнейших сетей инженерно-технического оборудования современного здания:

          - основных обслуживающих систем (отопление, вентиляция, водоснабжение, канализация, лифтовое хозяйство и т.п.);
          - систем безопасности (пожарной, противовзломной сигнализации и контрольного слежения);
          - коммуникационных сетей (телефон, телефакс, телевидение и т.п.);
          - информационных (компьютерных) сетей.

          Координирующую роль при совместном функционировании всех этих сетей выполняет глобальная система регулирования на основе прямого автоматического контроля (Direct Digital Control – DDC). Ее применение предполагает автоматическую установку оптимальных микроклиматических, световых и др. параметров для каждого помещения (каждой группы помещений) в зависимости от изменения режима эксплуатации и условий внешней среды, что в крупных зданиях площадью свыше 8 тыс.м2 позволяет снизить энергопотребление более чем на 20%.

          Системы типа DDC показали достаточно высокую эффективность и при использовании в небольших зданиях, что послужило причиной все более широкого их использования в односемейных и многоквартирных жилых домах. Сеть датчиков различного назначения, связанных с индивидуальным или общим на дом пультом управления (типа Domotic), позволяет автоматически, а следовательно, весьма эффективно осуществлять:

          - контроль и регулирование энергопотребления и энергопоступлений (в т.ч. из внешней среды), т.е. покомнатное регулирование микроклимата в соответствии с изменениями эксплуатационного режима и параметров внешней среды;

          - управление и программирование работы бытовых приборов и технических устройств (например, коммуникационных - телефона, факса и др.);

          - обеспечение безопасности людей и сохранности имущества.

          Следует отметить, что внутренний, инкрементальный характер изменений и усовершенствований, предполагаемых мероприятиями по повышению энергоэкономичности зданий, обусловливает их максимальную целесообразность в условиях реконструкции существующего фонда недвижимости, и главным образом, реконструкции инженерной, не влекущей существенных изменений архитектуры здания. Эта проблема особенно актуальна для России: так, ужесточение нормативных требований к теплоизоляционным характеристикам наружных ограждений (нормативный коэффициент сопротивления теплопередаче, равный для условий Москвы 0.9 м2*0С/Вт, с июня 1996 года увеличен в 1.7 раза и составляет сегодня 1.5 м2 0С/Вт) привело к тому, что подавляющее большинство существующих зданий нуждается в серьезной дополнительной теплоизоляции. Более того, ужесточение теплоизоляционных норм предвидится и в дальнейшем: по современным экономическим требованиям коэффициент термического сопротивления наружных стен следует увеличить до 3.0 - 5.0 м2*0С/Вт, что для условий Москвы соответствует 1.7 - 2.8 м кирпичной кладки или 1.1 - 1.8 м керамзитобетона [1]. Таким образом, одной из важнейших задач энергоэкономичной реконструкции зданий в условиях России является утепление наружных стен, которое может сопровождаться весьма значительным экономическим эффектом: по данным датских специалистов, дополнительная изоляция стен в условиях России может принести доход (экономию средств) в размере 50$ в год с каждого м2 утепленной стены, что при кредитной ставке 15-20% обеспечивает окупаемость затрат в течение 2-3 лет [16]. C другой стороны, решение этой проблемы предполагает необходимость и неизбежность революционной перестройки отечественной строительной индустрии, интенсивного наполнения строительного рынка соответствующими новым требованиям конструкциями и материалами (многослойными стеновыми конструкциями, энергоэкономичными дверными и оконными блоками, эффективными утеплителями, уплотнителями, герметиками и т.д.), а также переориентацию проектировщиков всех уровней на разработку качественно иных архитектурно-конструктивных решений зданий.

          Однако, по мнению и отечественных, и зарубежных специалистов первоочередными задачами реконструкции российской недвижимости на пути улучшения ее энергетических характеристик являются [16]:

          - оборудование инженерных систем всех зданий приборами контроля и учета поступления и расхода энергии, без чего невозможна оценка эффективности энергосберегающих мероприятий (срок окупаемости такого оборудования, как правило, не превышает 1.5 года);

          - тотальная модернизация оконных и дверных блоков (замена, установка дополнительных слоев остекления или стеклопакетов, герметизация): в среднем по России теплопотери через окна и двери составляют до 70% от объема теплопотерь через все другие ограждения, что является свидетельством недопустимо низких теплоизоляционных характеристик используемых конструкций.

          Возможную динамику и степень улучшения теплоизоляционных характеристик реконструируемых зданий наглядно отображают результаты государственной программы по энергосбережению в Дании:

 Таб.9. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ,
 М 2*О С/Вт. (по данным Horsens Polytechnic, Дания)
  1955 г. 1982 г. 1995 г.
 конструкции крыши (мансарды) 1.5 5.0 5.0
 первые этажи (подвалы) 1.5 2.5 5.0
 внутр. стены и перегородки 0.5 0.5 3.0
 наружные стены 0.5 2.0 3.0
 окна 0.3 0.35 0.6

          Как видно из приведенных цифр, окна по-прежнему остаются весьма теплопроводными конструкциями, и это обстоятельство определило тенденцию к максимальному сокращению площади остекленных поверхностей (до минимально допустимых с точки зрения норм естественной освещенности значений); по датским требованиям оптимальный процент остекления наружных ограждений зданий составляет 15-22% от их общей площади.

          Кроме того, во многих странах разработаны и широко используются различные конструктивные средства повышения теплоизоляционных свойств светопроемов. Наиболее эффективными из них являются:

          - так называемые ночные ставни - специальные трансформируемые конструкции в виде теплоизолирующих и теплоотражающих экранов (щитов, штор и т.п.), размещаемых, как правило, с наружной стороны светопроема и используемых в темное время суток (см. рис.*);

          - вентилируемые окна – конструкция такого окна обеспечивает организованный приток наружного воздуха в помещение, по ходу которого этот воздух "подогревается" теплом, неизбежно теряемым теплопередачей через остекление, т.е. происходит утилизация происходящих через окно теплопотерь (см. рис.*).

          (Экономическая эффективность комплексного проведения мероприятий по повышению теплоизоляционных параметров ограждений проиллюстрирована на рис.*)

          В последние годы наблюдается усиление тенденции к активному использованию архитектурно-градостроительных средств энергосбережения в строительстве, направленных на снижение теплопотерь через наружные ограждения зданий и повышение эффективности использования естественного света.

          Теплопотери в зданиях происходят, преимущественно, в виде дисперсии тепла наружными ограждениями, возникающей и усиливающейся при нарастании разницы температур внутреннего и наружного воздуха, а также в результате усиленной инфильтрации наружного (и соответственно, эксфильтрации внутреннего) воздуха под давлением ветра и вследствие возникновения в застройке различных аэродинамических эффектов (угла, вихревого ролика, Вентури, связи, отверстий, канализации и др., возникающих, как показывают исследования, при высоте застройки более 15 м)[10]. С другой стороны, было установлено, что объемно-планировочными и ландшафтными средствами можно добиться существенного снижения теплопотерь за счет:

          а) сокращения площади наружных ограждений относительно внутреннего объема здания, т.е. повышением его пространственной компактности, о значении которой для энергобаланса здания уже говорилось выше (см. бионические принципы формообразования); так, минимальные соотношения площади поверхности к внутреннему объему имеют шар, цилиндр и куб - именно эти объемные формы обеспечат предельное снижение дисперсии тепла зданием (см. рис.*); кроме того, по данным отечественных исследователей, изменение удельного периметра стен на 0.01 м приводит к изменению удельного расхода тепла на 1.25 -1.75% в пяти и на 1.5 -2.0% в девятиэтажном здании; с другой стороны, существенное снижение удельного расхода тепла происходит при увеличении ширины корпуса здания (с 11 до 14 м - на 6-7%, до 15-16 м - на 12-14%, до 18 м - на 16-20% [14]); методика оценки энергоэффективности здания по показателям его компактности достаточно хорошо разработана и освещена в литературе [10,15,18];

          б) оптимизации площади светопроемов, объективно обладающих высокой теплопроводностью и потому являющихся основным источником теплопотерь в зданиях; например, при увеличении нормативной освещенности жилых помещений с 1:5.5 до 1:4 (соотношения площадей светопроема и пола) удельный расход теплоты возрастает в среднем на 5% в пяти и на 6-7% в девятиэтажных зданиях [18] (см.рис.*);

          в) теплового зонирования отапливаемого объема здания и устройства вокруг него т. наз. буферных пространств – неотапливаемых помещений с промежуточной (относительно внутренней и внешней среды) температурой (см. бионические принципы функционально-пространственной организации зданий); известно, что скорость теплопередачи, а следовательно, и масштабы теплопотерь, определяются амплитудой температур контактирующих сред: скорость тем выше, чем больше эта амплитуда; тепловое зонирование и буферные пространства, таким образом, создают эффект "энергетического каскада" - опосредованной (многоступенчатой) теплопередачи от внутренней среды к внешней: сокращение амплитуды температур контактирующих сред позволяет заметно снизить теплопотери; соответственно, наибольший эффект буферные пространства дают при размещении их в тех частях здания, где наблюдаются максимальные амплитуды температур отапливаемых помещений и внешней среды: в зоне покрытия (где функции буфера выполняет чердак) и у плохо прогреваемых солнцем стен северной ориентации (буфером могут являться различные хозяйственные пристройки, пристенные холодные шкафы и т.п. - см. рис.*); кроме того, буферные пространства защищают ограждения от ветровых воздействий, исключая нежелательную "напорную" инфильтрацию наружного воздуха в отапливаемый объем здания [10];

          г) рассеивания воздушных потоков – использованием соответствующих пространственных и объемных форм ландшафта (в т.ч. зданий); известно, что сила ветрового напора определяется углом падения потока на поверхность (см.рис.*); поэтому наименьшее ветровое давление испытывают обтекаемые (аэродинамичные) - сферические, цилиндрические и др. криволинейные, а также коноидальные и пирамидальные объемные формы [10] (по данным Ю. Лебедева, наиболее приспособленной к восприятию, например, гравитационных и ветровых нагрузок является форма конуса - см. рис.*);

          д) снижения скорости движения воздушных масс вблизи зданий (их ограждающих конструкций) - например, использованием форм растительности в качестве естественных ветрозащитных барьеров [4]: известно, что растительные формы различной плотности и высоты способны весьма значительно сокращать скорость ветрового потока, обеспечивая при этом зоны "ветрового затишья" глубиной, равной 20-25 высотам такого растительного барьера [3,5,10]; пристенная растительность также существенно снижает силу ветровых воздействий на наружные ограждения зданий [2,5] (см. рис.*); суммарное снижение теплопотерь благодаря разумному использованию растительных форм ландшафта может достигать 40% [7].

          Одним из наиболее важных факторов современного архитектурного проектирования становится повышение эффективности использования естественного света. Открытие биологических свойств солнечной радиации, осознание первостепенной роли света в средообразовании произвели настоящий переворот в архитектуре 20-го века, в корне изменив традиционные принципы организации пространств всех уровней. Однако, развитие климатологической и гигиенической наук, с одной стороны, а также ужесточение экономических требований в строительстве, с другой, привели к необходимости нового переосмысления принципов организации естественного освещения пространств (а следовательно, и норм градостроительного и объемного проектирования). В частности:

          - исследованиями биологических свойств рассеянной радиации, проводившимися в Казанском мединституте, было установлено, что необходимый бактерицидный эффект, определяющий принятые нормы инсоляции помещений, может быть получен при воздействии только рассеянной радиации (т.е. и при северной ориентации светопроема), т.к. ультрафиолетовая составляющая солнечного спектра, обеспечивающая этот эффект, не поглощается, а только рассеивается облаками, и "по своей максимальной величине рассеянная радиация ненамного уступает прямой, даже при южной ориентации светопроема"[10], при этом двойное остекление не оказывает существенного влияния на проникание эффективной ультрафиолетовой радиации в помещение [10]; таким образом, необходимость облучения прямой солнечной радиацией будет определяться, преимущественно, требованиями психоэмоционального, светового и теплового комфорта;

          - исследования закономерностей поступления солнечной радиации в помещения, проводившиеся отечественными учеными, показали, что "на всех широтах и при любой ориентации светопроема основные поступления эффективного облучения в помещения (60-70% от максимально возможных) происходят при разрывах между зданиями, равных двум высотам здания; дальнейшее увеличение разрывов не дает существенного прироста"; при этом если на светопроем не падает тень от противостоящих зданий, то режим прямого облучения ничем не отличается от облучения при свободном горизонте [9];

          - объективное развитие тенденции к увеличению ширины зданий (и следовательно, глубины помещений) привело к предельному снижению эффективности традиционных форм бокового естественного освещения (что и выражается огромными энергозатратами на освещение искусственное и ростом теплопотерь через сплошное остекление наружных ограждений); насущной необходимостью является поиск специальных средств и приемов обеспечения помещений, расположенных в глубинных зонах зданий, естественным светом.

          Помимо объемно-планировочных и градостроительных средств, обеспечивающих максимальный приток света к ограждениям (например, в условиях центральной и северной России меридианальная ориентация здания позволяет увеличить суммарный годовой приток солнечной радиации на 30%; а увеличение высоты помещения с 2.7 до 3.6 м позволяет обеспечить уровень естественной освещенности в 300 лк на глубине около 10.5 м от окна [13] - см. рис.*), высокую эффективность показывают:

          - цветопространственная организация среды, обеспечивающая возможность эффективного использования отраженного от различных поверхностей света (т.е. применение материалов при проектировании интерьеров и экстерьеров зданий с высокими коэффициентами альбедо);

          - перераспределение светопроемов на поверхности ограждений, в частности, размещение большей их части в подпотолочной зоне и на потолке (верхний свет, зенитные фонари): очевидно, что наиболее эффективны "верхние" световые потоки, как наиболее глубоко проникающие в помещение и обладающие максимальной яркостью (так, зенитные фонари ориентированые на самую яркую – центральную – часть небосвода, могут располагаться в любой зоне помещения и позволяют обеспечить необходимый уровень освещенности высококачественным рассеянным светом при гораздо меньшей, относительно бокового освещения, площади светопроема, что существенно снижает теплопотери и улучшает условия воздухообмена); кроме того, исследования отечественных ученых показывают, что для обеспечения психологически достаточной визуальной связи с внешней средой достаточно светопроема шириной около 60 см (расположенного на высоте не более 80 см от уровня пола)[6], что только усиливает целесообразность размещения светопроемов в верхней зоне помещений;

          - "солнечные ловушки" - тип зенитных фонарей, отличающихся особой формой, которая обеспечивает максимальный "захват" прямых солнечных лучей и перенаправление светового потока в помещение за счет экранирования от внутренних поверхностей "ловушки" (см.рис.*);

          - световые полки - конструкции в виде горизонтальных светоотражающих экранов, размещаемые, как правило, в верхней части светопроема, со светлыми стационарными или регулируемыми отражающими поверхностями, перераспределяющими падающий на них световой поток на потолок и далее - в глубину помещения (см. рис.*); использованием световой полки при высоте помещения 4.5 м можно добиться нормативного уровня естественной освещенности в 300 лк на глубине 15 - 18 м от окна (см.рис.*);

          - линзы Френеля - призматические линзы из акриловых материалов, способные отражать (перенаправлять) прямой радиационный поток, а главное - собирать и направлять рассеянное излучение; применительно к архитектуре это позволяет обеспечивать достаточную освещенность помещений с большой глубиной без существенного увеличения их высоты и размеров светопроемов; линзы Френеля устанавливают в верхней зоне светопроема наподобие "форточки", обеспечивая возможность регулировки положения линзы в зависимости от угла падения светового потока [3] (см. рис.*);

          - световоды - различными оптическими средствами позволяют передавать потоки света на большие расстояния для естественного освещения расположенных в центральных зонах зданий или под землей темных помещений, при этом коэффициент полезного использования светового потока составляет 80-90% ; световоды состоят из солнечной (световой) "ловушки", как правило, в виде статичного или следящего за солнцем приемного устройства (с зеркальным отражателем) или зенитного фонаря, светопровода в виде последовательности фокусных линз, трубы с зеркальной внутренней поверхностью, пучка оптических волокон, акрилового прута (призмы) или "светового колодца" (например, атриума [13]), а также светорассеивателя (светораспределителя) в виде перенаправляющей поток света на потолок панели, насадки на светопровод из особого флюоресцентного материала (накапливающего световую энергию и постепенно отдающего ее по прекращении действия светового потока) и др.; с помощью световодов высококачественное естественное освещение получили, например, помещения подземного Космического центра Университета шт. Миннесота (США), расположенные на глубине 33 м от поверхности земли (см.рис.*).

          Очевидно, что применение световодов – один из наиболее перспективных путей повышения эффективности использования естественного света: использование оптиковолоконных и акриловых материалов практически снимает проблему доступности помещений для света, т.к. светопроводы из этих материалов могут иметь любые пространственные очертания и легко блокируются с другими инженерными коммуникациями, применение металлических труб дает возможность объединения в одном канале свето- и воздухопроводящих функций, открытые линзовые светопроводы и светопроводы с флюоресцентными насадками, в свою очередь, могут служить прекрасными формами внутреннего дизайна, естественными осветительными устройствами (см. рис.*).

          Предполагаемая данными мерами по повышению эффективности естественного освещения ориентация различных частей и элементов зданий по световому потоку, являющемуся одной из форм энергии внешней среды, позволяет говорить о появлении энергоактивной характеристики использующих эти средства зданий.

*Автор не смог прислать рисунки ввиду давности написания отчета.

В начало                               Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить