Анализ проекта мультикомфортного дома ISOVER

Архитектура школьных зданий в настоящее время находится в процессе поиска новых подходов к проектированию. Разработка теоретико-прикладных основ формирования школы нового типа, обеспечивающей устойчивость и эффективность образовательного процесса в постиндустриальных условиях развития российского общества, должна осуществляться на основе современных подходов устойчивого развития.

Также, одна из важнейших тем настоящего времени — экономия энергии .[1–2] Люди ищут все новые и новые пути для сохранения и повторного использования природных ресурсов, с каждым годом добиваясь лучших результатов.

Компания ISOVER [3] способствует этой борьбе человечества, не только создавая изоляционные материалы, но и ежегодно организовывая интернациональные конкурсы по проектированию мультикомфортных зданий, в которых максимальный комфорт сочетается с безупречной функциональностью.

Здесь рассматривается проект «умной» школы для турецкого города Газиантеп: описаны архитектурные, конструктивные решения проектируемого здания школы.

При проектировании и строительстве здания, основанного на принципах устойчивого развития, одним из важнейших требований является не только соответствие стандартам экологичности и энергоэффективности сегодняшнего дня, но и ближайшего будущего, а также возможностям безотходной утилизации морально устаревшего здания. Наряду с энергетической оптимизацией понятие устойчивое развитие предполагает, и широкий спектр экологических мер, таких как: хорошо обдуманный выбор материалов и строительных технологий, вторичное использование материалов, сокращение «серой энергии», бережное обхождение с ресурсами и водным балансом, демонтаж не пропускающих воду материалов на окружающей территории, применение возобновляемых источников энергии. Использование системного подхода в разработке теоретических моделей школьного здания нового типа позволяет облегчить проектирование гибкого и адаптивного здания, моральное старение которого приближается к срокам его физического износа.

Обзор литературы

Исследованием энергоэффективности зданий и сооружений занимались как отечественные, так и зарубежные авторы. В частности, имеются исследования энергоээфективности бюджетных зданий [6]. Авторы статьи [12] вывели зависимость теплопотерь здания от его формы, введено понятие «коэффициент компактности». В статьях [11-12, 13-14] проанализирована роль ограждающих конструкций для экономии тепловой энергии. Информация о солнечных батареях и коллекторах была получена из статей [19, 21].

В своей статье «Учет формы при оценке теплозащиты оболочки здания» Корниенко подчеркивает, что при недостаточной компактности здания или при его более развитой поверхности ввиду необходимости подчеркивания его выдающегося архитектурного облика. Для обеспечения требуемого уровня энергопотребления проектируемого здания, дополнительные потери тепла, связанные с этими обстоятельствами, необходимо компенсировать, в том числе за счет выбора ограждающих конструкций с более высоким уровнем теплоизоляции.

В свою очередь Горшков А. С., Немова Д. В., Ватин Н. И в статье «Формула энергоэффективности» говорят, что способом уменьшения удельных затрат тепловой энергии здания является создание архитектурного его облика с минимумом выступающих частей. Все выступающие части здания, как например, эркеры, нишы, ризалиты, пилястры, апсиды, сандрики, выносные плиты и др., увеличивают отношение площади поверхности наружных ограждающих конструкций к строительному объему здания и тем самым увеличивают расход тепловой энергии на отопление в течение отопительного периода.

Цель и задачи

Цель - проектирование школы 21 века. Школа должна быть современной, чтобы с детства прививать детям чувство стиля, должна нести в себе креативность и устойчивость, и в то же время, создавать в себе особый микроклимат [4–7] , и в то же время, использовать в себе энергоэффективные ресурсы и оптимизировать теплопотери [8–11].

Для этой цели были сформулированы следующие задачи [12]:

• -    создание здания, которое иллюстрирует свое назначение;

• -    выбор оптимальной формы зданий, характеризующейся пониженным коэффициентом;

• -  компактности и обеспечивающей минимальные теплопотери в зимний период и

• минимальные теплопоступления в летний период года;

• -  выбор оптимальной ориентации зданий по сторонам света, с учетом господствующего

• н аправления ветра в зимний период, с целью нейтрализации отрицательного воздействия климата на здания и его тепловой баланс;

• -    сокращение площади наружных ограждающих конструкций путем уменьшения периметра наружных стен за счет отказа от изрезанности фасадов, выступов, западов и т.п. «архитектурных проемов»;

• -    максимальное остекление южных фасадов и минимальное остекление северных фасадов зданий.

Также, целью было создание «Мультикомфортного дома». Концепция «Мультикомфортный дом ISOVER» была разработана несколько лет назад совместно Институтом пассивного дома города Дармштадта (Германия) и теплоизоляционным подразделением ISOVER группы «Сен-Гобен». С тех пор компания построила уже десятки таких зданий в Европе.

В таком доме на отопление ежегодно будет тратиться менее 15 (кВт*ч) /м2. Низкий расход энергии обеспечивается благодаря сокращению теплопотерь за счет применения:

• -    массивного непрерывного теплоизоляционного слоя по всему наружному контуру здания;

• -    герметичной оболочки по внутреннему контуру здания;

• -    утепленных оконных профилей и эффективного остекления;

• -    системы вентиляции с рекуперацией тепла.

Невыполнение, какого-либо из этих четырех условий недопустимо и сводит на нет все условия по сокращению энергопотребления здания.

Описание исследования

Проанализировав различные варианты, мы выбрали наиболее удобную и в то же время простую форму нашего здания.[12–14] Форма была выбрана почти квадратной, так как это позволяет увеличить полезную площадь здания, при снижении площади наружных стен, снижая трансмиссионные потери. (рисунок 1).

Рисунок 1. Общий вид здания

Для проектирования школы был дан участок площадью 10500 м2 в городе Газиантеп, который имеет холмистый рельеф с перепадом высот около 4 метров. Это повлияло на выбор способа расположения нашего здания. Первый этаж школы был расположен на половину в грунте [15], соответственно главный вход в школу располагается на втором этаже. Данное решение способствует уменьшению теплопоступления в помещения летом, и теплопотерь зимой, что немаловажно.

Чтобы проследить за поведением здания в более холодном климате, адаптируем здание для условий Санкт-Петербурга и проведем теплотехнические расчеты для расчета удельного расхода тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период.

Расчет удельного расхода тепловой энергии на отоплениеОбщие характеристики здания

• - общая высота здания – 7 м;

  - отапливаемая площадь 7170,601 м2;

  - отапливаемый объем – 25118,7035 м3;

  - общая площадь ограждающий конструкций – 8493,986 м2;

  - общая площадь стен – 1624,4375 м2;

  -  общая площадь окон, витражей, фонарей – 394,8425 м2;

• -  общая площадь дверных проемов – 17,25 м2.

Характеристики наружных ограждений

Структура наружной стены:

• -    Кирпичная кладка из глиняного кирпича обыкновенного – 510 мм;

• -    Воздушная прослойка – 3мм.

• -    Утеплитель ISOVER ВентФасад Оптима - 100 мм;

• -    Полимерцементная штукатурка, армированная сеткой из стекловолокна - 2 мм.

Структура плоской кровли:

• -    Перекрытие из железобетона - 100 мм;

• -    Утеплитель ISOVER Руф - 150 мм;

• -  Керамзитный гравий - 170 мм;

• -  Рубероид - 2 мм.

В качестве окон были выбраны двухкамерные стеклопакеты из обычного стекла, с расстоянием между стеклами 6 мм с утепленными оконными профилями.

Климатические и энергетические характеристики

Расчетная температура наружного воздуха в холодное время за отопительный период -26 ºC.

Продолжительность отопительного периода - 220 дней.

Средняя температура наружного воздуха отопительного периода -1, 8 ºC.

Градусо-сутки отопительного периода - 4796 °С·сут.

Рассчитанное сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций:

• -    Для наружных стен - Rw = 3,36 м2 • ºC / Вт;

• -  Для кровли - Rc = 5,63 м2 • ºC / Вт;

• -  Для окон - Rf = 0,51 м2 • ºC / Вт.

• -    Для наружных дверей - Red = 0,26 м2 • ºC / Вт.

Требуемое сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций [6]:

• - Для наружных стен - Rw = 3,08 м2 • ºC / Вт;

  —

  
  

Для кровли - Rc = 4,6 м2 • ºC / Вт;

— Для окон - Rf= 0,51 м2 • °C / Вт.

Теплотехнический расчет

Приведенный коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Bт / (м2 • ºC);

К m^tr

A fi

AAA A w + —F +   + — + n--+ n ■ — +--

^Aс1     A

f

R r ^ -*-v w

RrF

Rerd

Rcr      Rrс1      Rrf

R fi J

sum

1624,4375  394,8425  17,25  3602,101

----+ —--+ —— +--—

3,369

0,51      0,26     5,63

4925,486

= 0,3984,

n — коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

Aw, AF, Aed, Ac, Af — площадь стен, окон, наружных дверей, перекрытий, кровли, м2;

RW, RF, Red, Rc, Rf — приведенное сопротивление теплопередаче, м2 • ºC / Вт.

Условный коэффициент теплопередачи здания, учитывающий теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции, Вт / (м·°С);

Кimnf

0,28 ■ c ■ n _a ■ e _v ■ V h ■ p a ■ к _ 0,28 ■ 1 ■ 0,92 ■ 0,85 ■ 25118,7035 ■ 0,7 ■ 1,3

sum

4925,486

= 1,015,

с — удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж / (кг·°С);

n a — средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, ч-1;

^в — коэффициент снижения объема воздуха в здании, учитывающий ограждающих конструкций;

наличие внутренних

V ^h — отапливаемый объем здания, м3;

ht

^{Р а} — средняя плотность приточного воздуха за отопительный период, кг / м3.

Общий коэффициент теплопередачи здания, Bт / (м2 • ºC),

К_т = К tr + K in^f = 0,3984 + 1,015 = 1,4134

Относительные пространственные характеристики здания

Коэффициент остекленности фасада здания:

f=— A

А      334 , 0925

' w + F + ed

1975,78

= 0,169.

Показатель компактности здания:

_{k е}des

sum

V h

⁸⁵²⁷’⁵⁸⁷   = 0,339.

25118,7035

Расчет энергетических показателей

Общие теплопотери через ограждающую оболочку здания за отопительный период в МДж:

Q_h = 0,0864 - К_т - D_d - A sum = 0,0864 - 1,4134 - 4796 - 4925,486 = 2884742,76

Бытовые теплопоступления в здание за отопительный период в МДж:

Q_int = 0,0864 - q_int- z_{h t}- A_t = 0,0864 - 10 - 220 - 7170,601 = 1362987,8

Теплопоступления в здание от солнечной радиации за отопительный период в МДж:

• ^Qs = ^T F ^{- k}F ^{-( A}F1 ^- I 1 + ^AF2 ^- I 2 + A F3 ^- I 3 + ^AF4 ^- I 4 ^{) + T} scy ^{- k}scy ^{- A}scy ^- I hor = = 0,78 - 0,76 - ( 79,4135 - 356 + 94,35 - 610 + 43,35 - 356 ) = 60025,33

Потребность в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период в МДж:

Q h = Q h - ( Q int + Q s ) - v - 5 ] - P h =

= [ 2884742,76 - ( 1362987,8 + 60025,33 ) - 0,8 - 0,95 ] - 1,05 = 1893415,4.

^v — коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций; рекомендуемое значение ;

• ⁵ — коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления; ⁵ = 0,95;

  P h

  
  

  _—

  
  

  коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления,

  
  

связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения; P h =1,.7;

Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период, кДж / (м3·°С·сут);

des 10 3 - Q h ₌   10 ³ - 1893415,4  _{= 15 ?1}

q h     V_h - D_d   25118,7035 - 4796     ,  "

q reg

Нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление q^h . = 38 кДж / (м3·°С·сут).

Энергосберегающие технологииПрименение потолочных панелей ZEHNDER

Для рационального отопления помещений с высокими потолками, в частности это спортивный и актовый залы, столовая, было принято решение применить потолочные инфракрасные панели ZEHNDER [16].

Основным недостатком применения стандартных систем отопления в высоких помещениях является поступление теплого воздуха в подпотолочное пространство, что вызывает лишние затраты тепловой энергии. В свою очередь, инфракрасные потолочные панели подогревают не воздух, а твердые тела и позволяют создавать комфортные условия для человека.

Принцип действия панелей Zehnder аналогичен принципу действия солнца. Потолочные панели подключаются к центральной системе горячего водоснабжения. Тепловая энергия горячей воды передается в помещение в виде излучения практически без потерь. Остальная часть передаётся за счёт конвекции. При контакте с твердыми телами эта энергия преобразуется в тепло. Основным преимуществом отопления с помощью потолочных панелей являются энергоэффективность, комфорт и гигиеничность.

Спортивная тема в последнее время очень популярна. Универсиада в Казани, Олимпийские игры 2014 в Сочи, Чемпионат мира по футболу 2018. Вся страна занимается спортом. Повсеместно открываются новые специализированные спортивные школы, бассейны, физкультурно-оздоровительные комплексы.

Поэтому компания Zehnder была рада поделиться своим позитивным опытом применения инновационного энергоэффективного оборудования для отопления спортивных объектов самого разного профиля. Речь идёт о системе водяного лучистого потолочного отопления, или потолочных отопительных панелях.

В основе работы излучающих панелей Zehnder лежит естественный принцип лучистого теплообмена. Поверхность панелей нагревается за счёт проходящей по трубам нагретой воды (как в обычных водяных радиаторах). Между поверхностью панелей и объектами в помещении, имеющими более низкую температуру поверхности, происходит лучистый теплообмен (передача тепла посредством теплового излучения). При соприкосновении с поверхностью объектов энергия излучения преобразуется в тепло. Происходит нагрев предметов.

Уже в этот момент люди, находящиеся в зоне действия панелей, ощущают эффект отопления. Через некоторое время за счёт естественной конвекции, возникающей от нагретых тепловым излучением предметов, прогревается воздух в помещении.

Тот же самый принцип эффективно используется и для охлаждения помещения. В этом случае в панели подают охлаждённую воду. Находящиеся в помещении люди и другие объекты, имеющие более высокую температуру поверхности, излучают тепло, которое поглощается поверхностью панелей. В это же время нагретый воздух поднимается к потолку, отдаёт тепло панелям за счёт конвекции, остывает и опускается вниз. Такой метод охлаждения исключает возникновение сквозняков и гарантирует максимальный комфорт для людей.

Компания Zehnder имеет более чем 30-летний опыт применения потолочных панелей на спортивных объектах по всей Европе и предлагает новейшие энергоэффективные решения по отоплению помещений высотой до 50 м.

Конечно, на спортивных объектах очень важна безопасность. Поэтому отопительные потолочные панели Zehnder производят в Германии на современном оборудовании и 100% панелей на производстве проверяют на герметичность, что позволяет предлагать такое оборудование для монтажа на большой высоте, не опасаясь, что в процессе эксплуатации с потолка польётся горячая вода. Все модели в обязательном порядке тестируются в Институте материаловедения в Штутгарте на предмет устойчивости к повреждениям при ударе спортивными мячами согласно нормам DIN 18032.

Потолочные панели монтируют под потолком, что абсолютно исключает возможность получения травм при контакте с отопительным оборудованием, а также случайную или умышленную порчу оборудования.

Панели можно интегрировать в подвесной фальш-потолок, но если принято решение монтировать панели ниже, на тыльной стороне панелей устанавливают специальные решётки, которые не дают мячам застрять, так что они всегда будут скатываться вниз.

В случае, если панели оборудованы встроенными светильниками, они имеют специальную защиту от ударов мячами, также в панели можно встроить аварийные светильники, работающие от аккумуляторов.

Кроме того, следует обратить внимание на высокий уровень гигиены и комфорта в помещениях, оборудованных потолочными лучистыми системами отопления. Вследствие принципа лучистого отопления, при котором субъективно ощущаемая человеком температура всегда несколько выше, в помещении можно поддерживать более низкую температуру воздуха, что способствует более лёгкому дыханию и увеличению выносливости спортсменов. Так как большая часть тепла от панелей передаётся за счёт лучистого теплообмена, в помещении, оборудованном потолочными панелями, исключены сквозняки, а содержание пыли в воздухе на порядок ниже, чем при стандартных способах отопления.

И, конечно же, сложно найти другую систему с таким же потенциалом энергосбережения, как потолочные панели Zehnder.

Во-первых, за счёт равномерного распределения температуры по всей высоте помещения и отсутствия «тепловой подушки» под потолком, характерной при применении конвективных систем отопления в помещениях большой высоты, достигается снижение общей нагрузки на отопление. И чем выше здание, чем хуже оно изолировано и чем суровее климатическая зона, тем больше эта разница, тем больше выгода для владельца объекта.

Во-вторых, вследствие минимального содержания теплоносителя в панелях и особенностей их конструкции, система быстро реагирует на изменения условий в помещении и на улице повышением или понижением температуры поверхности и, соответственно, увеличением или уменьшением теплоотдачи.

Это свойство потолочных панелей позволяет также эффективную организацию дежурного и рабочего режима работы системы с минимальным временем перехода.

И, наконец, система эффективно работает даже при низких температурах теплоносителя, что делает возможным использование альтернативных источников энергии.

В качестве системы отопления для спортивных сооружений потолочные панели Zehnder практически универсальны. Zehnder предлагает как типовые решения для небольших школьных спортзалов и физкультурно-оздоровительных комплексов, так и индивидуальные концепции для многофункциональных спортивных комплексов с несколькими отдельно регулируемыми зонами. Для бассейнов предусмотрено специальное более защищённое исполнение панелей. А на ледовых аренах потолочные панели Zehnder позволяют локально повысить температуру в зонах размещения зрителей, при этом не повышая температуру воздуха и не ухудшая качество льда.

Потолочные отопительные панели Zehnder даже могут улучшить акустику помещения – в этом случае панели изготавливают с перфорированной излучающей поверхностью и комплектуют специальной звукопоглощающей изоляцией.

И, наконец, панели могут быть окрашены в любой цвет из палитры RAL и стать яркой деталью оформления зала.

Рисунок 2. Инфракрасная панель ”Zehnder”

Применение тепловых коллекторов.

В проекте школы г. Газиантеп используются солнечные коллекторы с пластиковыми абсорберами для нагрева воды [17-21]. Было подсчитано, что среднее потребление школой горячей воды – 1,905 м3/сутки.

Известна формула КПД солнечного коллектора:

k ■ AT П = По-- —,

E

η — расчетное значение КПД;

П о = ⁶¹

— номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях;

k = 0,78

— коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора;

ΔT — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха (ºC);

E — инсоляция (Вт • ч / м2).

Было решено, что минимальная требуемая температура воды - 55 ˚С, в соответствии с этим были подсчитаны КПД коллектора для всех месяцев в г. Газиантеп.

Таблица 1. КПД коллектора в зависимости от месяца

Месяц	Температура снаружи, 0 С	Инсоляция, кВт • ч/м2	КПД, %
Январь	4,5	2,6	59,5
Февраль	5,5	3,9	60,0
Март	8,5	4,6	60,2
Апрель	19,0	5,9	60,5
Май	21,5	6,3	60,6
Июнь	29,5	6,9	60,7
Июль	33,5	7,5	60,8
Август	32,5	6,6	60,7
Сентябрь	29,0	5,5	60,6
Октябрь	21,0	4,5	60,4
Ноябрь	19,5	3,0	60,1
Декабрь	7,5	2,7	59,6

Испытания показывают, что солнечные коллекторы служат основным источником энергии для нагрева воды в период с апреля по сентябрь. Для соответствия этой статистике был проведен расчет необходимой площади коллекторов по следующей формуле:

S • n • E • t = c • m • AT,

S — требуемая площадь коллекторов (м²), η — расчётное значение КПД,

E — инсоляция (Вт • ч/м2), c — теплоемкость воды (Дж/кг • К), m — масса воды (кг), t — количество часов светового дня,

ΔT — разность температур (0С).

Таким образом, для апреля получаем, что требуемая площадь – 24,2 м2. Это означает, что если в апреле вода будет нагреваться до температуры 55 0С только за счет инсоляции, то в период до сентября будет генерироваться дополнительная энергия, которая может расходоваться на нагрев воды до более высоких температур, либо запасаться тепловыми насосами.

Рассмотрим теперь остальные месяцы года (октябрь – март), когда одних коллекторов будет недостаточно для нагрева воды до требуемой температуры. В это время года также будут использоваться электроводанагреватели. Возьмем самый холодный месяц года – январь.

По формуле (1), получили, что разница температур ΔТ равняется 39 ˚С., следовательно, воду требуется нагреть дополнительно на 16 0С. По формуле для нахождения Q определяем, что потребуется 40156800 Дж.

Q = c • m • AT

Так как турецкие школы работают в течение 10 часов в день, то каждые три часа должно нагреваться 600 литров воды, чтобы получить требуемый объем 1905 л. Для нахождения необходимой мощности используем следующую формулу:

N = Q,

т где

Q— расходуемая энергия (Дж), т — время нагрева (с),

N — искомая мощность (Вт).

В результате получаем N=3718,22 Вт. В Турции стоимость электроэнергии кВт/ч составляет 0,06$. Значит, при работе электроводонагревателей в течение 10 часов с мощностью 3718,22 Вт траты будут составлять 2,23$ в сутки.

Проведем расчет трат, если солнечные коллекторы использоваться не будут. Тогда водонагревателем надо будет нагреть воду на 50,5 ˚С, а затраченное количество теплоты Q=402415057,5 Дж. Следовательно, N=37260,65 Вт. И в результате траты составят 22,36$ в сутки.

Выводы

В данной статье были рассмотрены конструкционные особенности мультикомфортной школы в г. Газиантеп в Турции. Спроектированное здание четко соответствует направленности и специализации будущего учебного заведения; оно является многофункциональным комплексом, в котором есть возможность трансформации и переустройства помещений под изменяющиеся потребности учеников и учебного процесса в целом; в частности, в школе предусмотрены внеклассные занятия музыкой, хоровым пением, спортивными играми на улице, а так же художественным ремеслом.

Солнечные коллекторы в Турции более чем уместны, так как в течение теплых солнечных месяцев горячая вода абсолютно бесплатна, а во время оставшихся - они существенно (почти на порядок) снижают траты на нагрев воды, если сравнивать с использованием одних только электроводонагревателей. Кроме того, если солнечная энергия поглощается в избытке, ее можно конвертировать в электричество, что является дополнительной экономией. Таким образом, ожидаемый срок окупаемости солнечных коллекторов - 4 года. [21]

Получив расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период, сравнив его с нормируемым значением, мы сделали вывод, что отклонение от нормы составляет -58%, что соответствует «А» классу энергетической эффективности. Но класс установлен только по расчету удельного расхода на отопление, без учета вентиляции. Это означает, что если качественно подобрать вентиляционную систему, можно достигнуть высоких результатов на практике.