УДК 699.86

Сулейменов У.С., Камбаров М.А., Абшенов Х.А., Е.А. Зубаир

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. АУЕЗОВА

Основные направления повышения энергоэффективности жилых зданий городской застройки

Для экономики Казахстана внедрение технологии энергоресурсосбережения и энергоэффективности является стратегической `в стране занимает второе место после добывающей и обрабатывающей промышленности по величине потребляемой энергии, то именно в этом секторе заложены перспективы реальной экономики энергоресурсов.

И не случайно, что мировой энергетический кризис привел к появлению в этом секторе экономики нового научно - экспериментального направления, связанного с понятием «энергоэффективное здание».

Энергоэффективное здание включает в себя совокупность комплекса архитектурных и инженерных решений, наилучшим образом отвечающих целям минимизации расходования энергии при обеспечении комфортного микроклимата в помещениях здания.

В настоящее время наблюдается тенденция развития индустрии энергоэффективных и пассивных зданий в Германии, Австрии, в странах Скандинавии, России. Опыт стран, которые достигли прогресса в области энергосбережения, показывают, что они имеют законодательную, правовую и финансовую поддержку со стороны законодательных и правительственных органов[1,2].

В связи с этим, рассмотрим некоторые аспекты повышения энергоэффективности жилых зданий массовой застройки, основанных на научном подходе к данной проблеме.

Энергоэффективное жилое здание, в соответствии с методологией системного анализа, необходимо рассматривать как единую теплоэнергетическую систему. Тепловой режим этого здания будет при этом складываться от теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание, теплоаккумуляционных характеристик оболочки и теплоэнергетического баланса помещений здания.

Оптимизационная задача для энергоэффективного здания заключается в определении показателей архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимальный расход энергии на создание комфортного микроклимата в помещениях. В соответствии с содержанием поставленной задачи целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать в виде:

, (1)

где - минимальный расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания, - показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимальный расход энергии.

В реальных условиях строительства теоретическое значение энергоэффективности не будет реализовано из-за полного учета различных факторовв проекте и обеспечения ее в условиях строительства. В связи с этим в практику проектирования энергоэффективного жилого дома введено понятие «показателя теплоэнергетической эффективности здания», которая может быть выражено в виде:

, (2)

где - расход энергии на создание комфортного микроклимата в помещениях энергоэффективного дома, - расход энергии на создание комфортного микроклимата в помещениях здания, принятого к проектированию.

Рассматривая энергоэффективное здание как единую теплоэнергетическую систему, показатель теплоэнергетической эффективности здания разделим на три взаимосвязанных фактора. Тогда можно будет записать

, (3)

где - показатель теплоэнергетической эффективности оптимального учета воздействия наружного климата на здание;- показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора тепло- и солнцезащитных характеристик наружных ограждающих конструкций; - показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора инженерных систем обеспечения микроклимата.

Рассмотрим подробнее возможности влияния на тепловой баланс здания воздействия наружного климата, выбора тепло- и солнцезащитных характеристик ограждающих конструкции и выбора систем обеспечения микроклимата в помещениях.

Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора размеров и ориентации здания. Отметим, что удачный выбор ориентации и размеров здания дает возможность в теплый период года уменьшить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период – увеличить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и уменьшить затраты на отопление. Вместе с этим необходимо обратить внимание на выбор ориентации и размер здания с учетом воздействие ветра на его тепловой баланс.

Следует отметить, что изменение формы здания и его ориентации с целью оптимизации влияния наружного климата на его тепловой баланс не должно сказываться на площади или объем здания. Они должны оставаться постоянными.

В работе [3,4] приведено решение задачи по выбору оптимальных размеров и ориентации здания прямоугольной формы, а также значения показателя теплой эффективности различных проектных решений.

Расчеты были проведены для климатических условий географической широты 56⁰с.ш. и 48⁰с.ш. Ориентация здания принималась широтной, меридиональной и свободной, а форма здания в плане прямоугольное площадью 1440м². В качестве рассматриваемого параметра принимался минимум затрат энергии в холодный период года на обогрев, а в теплый период года на охлаждение здания.

Результаты исследования приведены в соответствии с рисунками 1и 2.

Рисунок 1- Зависимость теплопотерь здания от соотношения высоты здания к его длине [3]

Рисунок 2- Теплопоступления и теплопотери здания от соотношения высоты здания к его длине[3]

График рисунка 1 и 2 показывают, что оптимальным соотношением высоты здания к его длине с точки зрения относительных теплопотерь здания являются соотношения 1:2…1:6, а при совместном учете теплопоступления в здание и его теплопотерь – соотношение 1:1. Главным результатом проведенного исследования является вывод о том, что на энергоэффективность здания значительно влияет форма здания и его ориентация. При этом оптимальное соотношение высоты здания к его длине в соответствии с климатическими особенностями района будет разным.

Оптимизация теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций здания заключается в выборе оптимальной толщины теплоизоляции в конструкции и уменьшений затрат на их производство т.е. стоит задача теплоэнергетической оптимизации ограждающих конструкции.

Однако следует отметить, что к конструкциям наружных ограждающих конструкций предъявляется достаточно большое количество требований. В связи с этим, в первую очередь следует выделить теплозащиту и теплоустойчивость, как главные требования к наружным ограждающим конструкциям. Тогда задача оптимизации будет сводиться к выбору слоев ограждающей конструкции таким образом, чтобы она удовлетворяла требуемым значениям теплозащиты и теплоустойчивости.

По результатам решения задачи по определению оптимального расположения слоев в многослойной ограждающей конструкции, в работе [5] было установлено, что в зависимости от расположения слоев материала величина теплоустойчивости ограждающей конструкций может меняться в три раза. Показано, что наибольшее затухание наружных тепловых воздействий обеспечивает материал с меньшим коэффициентом теплопроводности и с большим коэффициентом теплоусвоения. В связи с этим в районах с жарким климатом целесообразно выбрать конструкцию ограждения с меньшим коэффициентом теплопроводности материалов, а в районах с холодным климатом – с большими значениями коэффициентов теплоусвоения материалов.

Задача оптимального выбора систем обеспечения микроклимата в помещениях здания заключается в нахождении такого управления расходом энергии, чтобы обеспечить их минимальный объем.Если учесть, что система обеспечения микроклимата – это в основном обогрев помещений, то задача будет сводиться к тому чтобы минимизировать время разогрева помещения.

По исследованиям [5] было выявлено, что время разогрева помещения будет минимизировано, если внутренние поверхности ограждающих конструкций будут иметь низкие значения коэффициента теплоусвоения материалов и если имеет место высокая интенсивность конвективного теплообмена между внутренним воздухом и внутренним поверхностями ограждающих конструкций.

В работе [5] представлены расчеты расхода энергии для помещения с двумя наружными ограждающими конструкциями и окном с двойным остеклением. Рассматривались несколько вариантов наружных ограждающих конструкций. Результаты проведенных расчетных экспериментов позволили сделать следующие выводы:

- экономия энергии при разогреве помещения за счет увеличения интенсивности конвективного теплообмена до 3 раз достигает 64 - 70%, а при увеличенииинтенсивности теплообмена до 6 раз – 88%. При этом время разогрева уменьшается в среднем в 3 раза;

- экономия энергии при разогреве помещения при уменьшении теплоаккумуляционных показателей ограждающей конструкции (уменьшение коэффициента теплоусвоения) в 2,4 раза достигает 40%, а в 10,4 раза - достигает 55 – 62%. При этом время разогрева уменьшается в среднем соответственно в 3,8 и 16 раз.

В заключении отметим, что концепция энергоэффективного здания предполагает комплексный подход, который включает в себя не только энергосбережение, но и целую философию, основанную на идее гармонизации с окружающей средой. Поднятые в статье проблемы повышения энергоэффективности зданий позволят создать практически реализуемую методологию проектирования подобных зданий и выработать направления дальнейших исследований в этой области.

Литература

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

2. Klaus Daniels, "The Technology of Ecological Building", Birkhauser-Verlag fur Arhitektur, Basel, 1997.

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

2. Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю., Матросов Ю.А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1986.

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