Тепловой баланс высотного здания со светопрозрачным модульным остеклением

В крупных городах появляется все больше зданий с высоким коэффициентом остекленности фасадов. С одной стороны их более массовое строительство отражает тренды в архитектуре, с другой стороны отражает достижения в области строительных наук и инженерии, показывая технические возможности, которые ранее были недостижимы.

Коэффициент остекленности фасадов зданий исторической постройки, как правило, не превышал 0.15-0.20. Такие значения коэффициента остекленности обеспечивали естественную освещенность помещений в дневное время суток и одновременно минимизировали потери тепловой энергии через наружную оболочку зданий в холодный период года, т.к. сопротивление теплопередаче окон было значительно меньше, чем у стен и иных массивных наружных ограждений. Это в полной мере соответствовало рекомендациям итальянского зодчего Андреа Палладио [1], согласно которому: «При выведении окон необходимо иметь в виду, чтобы они пропускали света не более и не менее того, что требуется, и чтобы они были не слишком часты и не слишком редки».

Следует отметить, что и здесь имели место исключения. Крупным торговым магазинам для более представительной демонстрации выставляемых на продажу товаров требовались значительные по габаритам витрины. Так в начале XX века в г. Санкт-Петербурге, России появились здания компании «Зингер» («Дом книги»), торговой фирмы «С.Эсдерс и К.Схейфальс» Au Pont Rouge («У Красного Моста»), дома Мертенса и ряд других [2]-[4].

В советский период коэффициент остекленности фасадов ограничивался нормативно. Подобное ограничение действовало и в постсоветский период вплоть до норм 2003 года [5], согласно которым в жилых зданиях коэффициент остекленности фасадов не должен был превышать 0.18, а в зданиях общественного назначения должен быть не более 0.25, если приведенное сопротивление теплопередаче окон (кроме мансардных) оказывалось меньше определенного значения [6].

При этом в СССР продолжали проектироваться и возводиться объекты, коэффициент остекленности фасадов которых превосходил нормативные ограничения по коэффициенту остекленности (примеры: здания института «Гидропроект», Центросоюза, Центрального телеграфа и СЭВ (секретариата Совета экономической взаимопомощи) в Москве, Дворец спорта «Юбилейный» в Ленинграде и др.). С одной стороны это было данью зарождавшейся в мире моды на «стеклянную архитектуру», с другой – поиском новых архитектурных решений в рамках экспериментального проектирования [7]-[9]. Общее количество подобных объектов долгое время оставалось незначительным. При отсутствии систем кондиционирования воздуха в теплый период года при солнечной погоде в таких зданиях наблюдался перегрев. А в наиболее холодные периоды года на внутренней поверхности оконных конструкций мог выпадать конденсат и, кроме того, в приоконной зоне помещений параметры микроклимата не всегда соответствовали оптимальным или даже допустимым значениям. Для снижения энергопотребления зданий разрабатываются новые методы повышения сопротивления теплопередачи фасадов с многослойным остеклением [10]-[12].

По мере развития систем централизованного теплоснабжения [13], [14], применения более эффективных теплоизоляционных материалов и изделий [15], [16], повышения нормативных требований по тепловой защите зданий [17], [18], улучшения теплоизоляционных характеристик ограждающих конструкций [19], в том числе светопрозрачных [20], [21], развитие систем холодоснабжения и кондиционирования воздуха, применение материалов с фазовым переходом в составе светопрозрачных фасадов [23]-[24] создались благоприятные условия для строительства зданий с более высоким коэффициентом остекленности фасадов. Сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций стало сопоставимым по теплоизоляционным свойствам с однородным фрагментом каменной кладки наружных стен исторических зданий [22].

Это позволило массово возводить здания с коэффициентом остекленности фасадов 0.8 и более. Первые такие объекты в мире стали появляться в странах Западной Европы, Северной Америки, Юго-Восточной Азии, Аравийского полуострова. Постепенно высотные здания стали возводиться и в крупных мегаполисах России: Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, других [25]-[28]. Наиболее известными из них являются: Башня в составе МФК «Лахта Центр» (Санкт-Петербург), Башни «Восток» и «Запад» в составе МФК «Федерация» (Москва), Южная и Северная Башни в составе МФК «Око» (Москва), Башня «Меркурий» в составе МФК «Меркурий Сити» (Москва), Башня «Евразия» (Москва), Башни «Москва» и «Санкт-Петербург» в составе комплекса «Город Столиц» (Москва), Башня «С» в составе комплекса зданий «Башня на Набережной» (Москва), комплекс «Imperia Tower» (Москва), Башня «Исеть» в составе будущего делового центра «Екатеринбург-Сити» (г. Екатеринбург), Башни А и Б в составе МФК «Миракс Плаза» (Москва), небоскреб «Высоцкий» (г. Екатеринбург), Башня «Лидер» (Санкт-Петербург) и многие другие.

Светопрозрачные фасады широко применяются в архитектуре, особенно в офисных зданиях [29]-[31]. Однако применение стеклянных фасадов без учета оценки теплового режима на начальном этапе проектирования может способствовать снижению энергоэффективности зданий и увеличению потребления энергии [32]-[34]. Учет оценки теплового комфорта на начальном этапе проектирования непременно важны для улучшения эксплуатационных характеристик зданий [35][37].

Авторы [38] разработали и верифицировали новый метод оценки теплового режима зданий в реальных условиях эксплуатации. Были измерены параметры теплопередачи и проанализирован механизм процессов теплопередачи в фасадных системах зданий. Однако точная тепловая оценка в реальных условиях эксплуатации является сложной задачей.

В работе [39] предлагается новая методика определения удельного теплового коэффициента для адаптивных светопрозрачных фасадов в условиях мягкого климата.

Адаптивные светопрозрачные фасады представляют собой современные высокотехнологичные ограждающие конструкции здания, способные адаптироваться к изменяющимся внешним условиям, таким как солнечное излучение, температура внешнего воздуха, ветер и т.д., для обеспечения нормированных параметров внутреннего климата, повышения теплотехнических характеристик и достижения максимальной энергоэффективности здания. Такие фасады могут включать в себя различные современные технологии и системы управления, например:

• •    автоматические жалюзи или шторы, которые регулируются в зависимости от интенсивности солнечного света;

• •    сенсорные системы, которые реагируют на изменения температуры и освещенности, регулируя пропускание света;

• •    использование «умного стекла», которое в зависимости от условий может менять свою прозрачность.

Адаптивные светопрозрачные фасады способствуют сохранению тепла зимой и предотвращению его избытка летом, что снижает потребность в искусственном отоплении, кондиционировании и освещении, и как результат, ведет к экономии энергии.

В предлагаемой методологии значения сопротивления теплопередачи и коэффициента увеличения солнечного тепла являются неизвестными и определяются с помощью эвристической процедуры, основанной на эксперименте и симуляции, которая берет данные, полученные в ходе эксперимента, как отправную точку. Предложенная авторами методика позволяет быстро получить эмпирическую оценку тепловых параметров фасадов, а именно сопротивления теплопередачи и коэффициента увеличения солнечного тепла, что позволяет оценить энергетическую эффективность фасада и их вклад в энергетический баланс зданий. Данный эвристический подход полезен для воспроизведения экспериментальных результатов в условиях мягкого климата и предлагается для оценки тепловых и энергетических характеристик светопрозрачных адаптивных фасадов.

В статье [40] исследуются различные подходы к оценке тепловых характеристик вентилируемых фотоэлектрических фасадов.

В исследовании [41] разработана карта солнечной апертуры для регионов с жарким и влажным климатом, которая учитывает потребление энергии, качество внутренней среды и солнечную апертуру фасада. Предлагаемую карту рекомендуется применять к офисным зданиям, расположенным в аналогичных географических точках, особенно в зоне жаркого и влажного климата. Прилагаемый метод оценки тепловых характеристик фасада может быть адаптирован и применен к другим регионам с использованием местных погодных данных, а также стандартов в области энергопотребления. Таким образом, карта солнечной апертуры фасада может быть составлена и для других регионов. Карта позволяет получить оптимальные схемы адаптивных фасадных систем, учитывая влияние различных конструктивных параметров на энергопотребление и тепловой комфорт с помощью визуализированной информации. Предлагаемые результаты способствуют повышению энергосбережения и теплового комфорта за счет более совершенных стратегий проектирования остекленных фасадов.

Авторами [42] разработана физико–математическая модель для моделирования процессов тепломассопереноса и оценки теплового режима здания, проведено численное моделирование для различных климатических условий (Венеция, Хельсинки и Абу-Даби) для оценки эффективности и достоверности предлагаемого решения.

Тепловой режим высотных зданий со светопрозрачными фасадами изучен недостаточно полно. Общепринятая методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций подобных зданий отсутствует.

Целью исследования является разработка методики расчета и оценки теплового режима высотного здания со светопрозрачным модульным остеклением в холодный период года.

В качестве примера подобного здания может служить здание Башни многофункционального комплекса «Лахта Центр» высотой 462 м, расположенного в г. Санкт-Петербург, в зоне холодного климата Dfb - холодный континентальный, в соответствии с международной классификацией климата Кеппена. Данный метод расчета может быть адаптирован для любых климатических условий и зданий со светопрозрачными фасадными системами.

Объектом исследования являются высотные здания с модульным остеклением. Предметом исследования является тепловой режим высотных зданий со светопрозрачным модульным остеклением.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• 1)    составить уравнение теплового баланса для отапливаемого высотного здания,

• 2)    вывести формулу для расчета текущей температуры внутреннего воздуха в отапливаемом здании в зависимости от наружных климатических условий (температуры наружного воздуха), теплозащитных характеристик наружных ограждающих конструкций, расчетной мощности системы отопления и теплоаккумулирующей способности его внутренних ограждений. Модель должна учитывать не только собственную мощность системы отопления, но также бытовые и солнечные теплопоступления.

В исследовании [43] проанализирован режим эксплуатации Башни при аварийном отключении системы отопления в здании, т.е. при полном прекращении подачи теплоты в здании. В рамках настоящей работы исследован проектный режим работы системы отопления.

• 2 Materials and Methods

Для реализации обозначенной выше цели исследования составлено уравнение теплового баланса отапливаемого здания. Принято, что за время d т в систему отопления здания поступает количество теплоты Q ₀ • d т . Поступающая из системы отопления тепловая энергия расходуется на нагрев на dt градусов внутренних ограждающих конструкций, элементов интерьера, мебели, инженерного оборудования и компенсацию теплопотерь через наружные ограждающие конструкции.

В этом случае баланс тепловой энергии в отапливаемом здании можно представить в виде следующего уравнения:

c ^Р ВН '⁵ ВН ' S ВН ' ^dt = [ Q О - ^k НОК • S НОК '( t В - t Н ) ]• ^{d т} ’                   ⁽¹⁾

где левая часть уравнения (1) представляет собой количество тепловой энергии расходуемой на нагрев на dt градусов внутренних ограждающих конструкций, элементов интерьера, мебели, инженерного оборудования, правая часть – разницу между количеством поступающей за время d т от системы отопления тепловой энергии и тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции.

В уравнении (1) приняты следующие обозначения:

• c – это теплоемкость материала внутренних массивных ограждений и колонн, кДж/(кг·К);

• р _ВН - это плотность материала наиболее массивных внутренних конструкций здания; кг/м³;

• 5 _ВН - это толщина внутренних железобетонных конструкций здания, м;

• S _ВН – это площадь поверхности внутренних железобетонных конструкций здания, м²;

dt – это изменение температуры внутренних ограждающих конструкций зданий за счет поступления тепловой энергии при включении системы отопления, °С;

Q _О – это мощность системы отопления при текущей температуре наружного воздуха, МВт; k _НОК – это коэффициент теплопередачи наружных ограждающих конструкций, Вт/(м²·К);

S _НОК – это площадь поверхности наружных ограждающих конструкций здания, м²;

• t _В – это температура внутреннего воздуха, °С;

• t _Н – это температура наружного воздуха, °С.

Уравнение (1) можно преобразовать к виду:

с-о -5 -S

_ ^р ВН В ВН В ВН • dt _ ^k НОК • S НОК

—Q⁰ --( t — t я)

ВН

НОК • S НОК

• d т .

Введем следующее обозначение:

в=

c-o -5 S c p ВН ВН BH В BH k НОК S НОК

Параметр в имеет размерность времени и характеризует теплоаккумулирующие свойства конкретного здания. Коэффициент тепловой аккумуляции здания в имеет размерность времени и показывает временной интервал, в течение которого начальная разность температур, установившаяся в здании перед аварийным отключением системы отопления, уменьшится в 2.72 раза. Высотные здания, как правило, имеют внутренне железобетонное ядро, в котором располагаются лифтовые шахты и инженерные коммуникации. Примером такого объекта является здание Башни в составе многофункционального комплекса «Лахта центр» [43].

Тогда выражение (2) можно привести к виду:

t

В

t

Н

dt

Q О

•S'

НОК НОК

d т

. в

Продифференцировав уравнение (4), получено выражение:

ln

Q О

В t^Н к .я k НОК S НОК

—

t ⁰ В

т

в

В формуле (5) приняты следующие дополнительные обозначения:

t В – это температура внутреннего воздуха, установившаяся в здании перед аварийным отключением системы отопления;

t В - это температура внутреннего воздуха в момент времени т .

Тогда при Q _О ^ 0 в общем виде получено решение вида:

-t

ВН

Q О k НОК S НОК

В

Н

Q О

= exp

т в

k S

НОК НОК

3 Results and Discussion

Температуры воздуха внутри здания в общем случае зависит от времени суток, а также теплопоступлений от солнечной радиации и бытовых внутренних теплопоступлений.

В работе [43] представлено уравнение для расчета температуры внутреннего воздуха без учета количества теплоты от системы отопления объекта теплопотребления, а также без учета бытовых и солнечных теплопоступлений.

В модели [43] не учтены внутренние (люди, оборудование) и внешние (солнечная радиация) источники теплопоступлений, которые будут оказывать замедляющее действие на процесс остывания помещений.

По результатам настоящего исследований выведена формула для расчета температуры внутреннего воздуха в здании:

t т=/ в 1

Н

+ Q к -S

НОК НОК

+

t

В

t

Н

Q О

^k нок ‘ S

нок 7

• exp

т в

В отличие от модели, представленной в работе [43], полученное уравнение учитывает подачу теплоты от системы отопления объекта теплопотребления. При этом в значение Q _О могут быть добавлены бытовые и солнечные теплопоступления.

Наличие массивного железобетонного ядра высотного здания позволяет реализовать на рассматриваемом объекте прерывистый режим регулирования мощности системы отопления (т.н. пропусками) путем периодического отключения/включения подачи теплоносителя в систему.

В случае прекращения подачи теплоносителя, например, при аварийном отключении системы отопления, т. е. при Q _О = 0, уравнение (7) примет вид:

т t T=tn + (t 0_ tn)‘ exp — , ВН   В Н

что полностью совпадает с результатами, полученными в исследовании [43].

При полном или частичном сокращении подачи тепла в начальный период времени температура внутреннего воздуха в помещении начинает резко понижаться, достигая уровня осредненной температуры внутренних поверхностей. После чего температура воздуха и массивных внутренних ограждений начинает понижаться практически синхронно (с незначительным запаздыванием).

• 4 Conclusions

Следуя мировым тенденциям в архитектуре по всему миру стало появляться все больше высотных зданий со светопрозрачным остеклением фасадов. Однако тепловой режим подобных зданий изучен недостаточно полно.

По результатам проведённого исследования:

• 1)    разработана методика расчета и оценки теплового режима высотного здания со светопрозрачным модульным остеклением,

• 2)    приведено уравнение теплового баланса высотного здания со светопрозрачным модульным остеклением.

• 3)    На основании полученного уравнения выведена формула расчета текущей температуры внутреннего воздуха в отапливаемом здании в зависимости от наружных климатических условий (температуры наружного воздуха), теплозащитных характеристик наружных ограждающих конструкций, расчетной мощности системы отопления и теплоаккумулирующей способности его внутренних ограждений.

Полученная модель позволяет оценить тепловой режим высотный зданий со светопрозрачными фасадными системами и учесть не только собственную мощность системы отопления, но также бытовые и солнечные теплопоступления.

Разработанная методика и уравнение теплового баланса могут быть применены в практических задачах в нескольких направлениях:

• •    Дизайн и проектирование зданий: Архитекторы и инженеры могут использовать методику и уравнение для оценки и оптимизации энергоэффективности и теплового комфорта зданий на этапе проектирования. Это поможет предотвратить излишнее потребление энергии и улучшить комфортность внутренней среды.

• •    Аудит энергоэффективности: Специалисты по энергетике могут использовать методику и уравнение для аудита энергоэффективности существующих зданий и для выработки рекомендаций по их модернизации.

• •    Разработка новых технологий и продуктов: Производители строительных материалов и оборудования могут использовать методику и уравнение для исследования и разработки новых технологий и продуктов, например, умных стеклопакетов или солнечного остекления.

• •    Оценка влияния климатических изменений: Ученые и исследователи могут применять методику и уравнение для оценки влияния климатических изменений на энергоэффективность и тепловой комфорт зданий.

Таким образом, разработанная методика и уравнение теплового баланса могут стать ценным инструментом для специалистов с целью повышения энергетической эффективности и теплового комфорта зданий.

• 5 Fundings

  Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (выполнение работ) № 075-03-2022-010 от 14 января 2022 и № 075--01568-23-04 от 28 марта 2023 (Дополнительные соглашения № 075-03-2022-010/10 от 09 Ноября 2022 и 075-03-2023-004/4 от 22 Мая 2023), FSEG-2022-0010.

This research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment No. 075-03-2022-010 dated 14 January 2022 and No. 075--01568-23-04 dated 28 March 2023(Additional agreement 075-03-2022-010/10 dated 09 November 2022, Additional agreement 075-03-2023-004/4 dated 22 May 2023), FSEG-2022-0010.