Архитектурные решения

     Введение 

     При выборе формы и ориентации здания нередко устанавливается, что возможности  территории застройки ограничены 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, но при этом в зимнее время, когда солнце расположено низко над горизонтом, эти возможности увеличиваются.

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

     Для снижения затрат электроэнергии на освещение рекомендуется система управления искусственным освещением в зависимости от изменения уровня естественного освещения. Такая система позволяет снизить затраты энергии на освещение светлоокрашенные полы, стены и потолки благодаря большему взаимному отражению между поверхностями.

     Экономия  энергии, которая затрачивается  на вентиляцию здания, реализовывается  уменьшением объема поступления  наружного воздуха путем пересмотра планировки, группировки внутренних пространств по схожим функциям, создания мест для курения в строго определенных частях здания, замены наружного воздуха рециркуляционным, очищенным посредством системы абсорбирования, а также правильной организации воздухораспределения для снижения потребности в дополнительных объемах. За счет применения рекуператоров тепла энергия, затрачиваемая на нагрев и охлаждение приточного воздуха, может быть уменьшена на 60-75%.

     Большое открытое пространство внутри здания дает возможность распространяться теплоте, выделяемой людьми и от источников освещения, равномерно по всему зданию. Они также позволяют более эффективно использовать кондиционированный воздух.

     Избирательное рабочее освещение в местах, где  оно больше необходимо, наряду с  уменьшенным освещением в местах, где оно не является достаточно важным (например, в гостиных, коридорах, проходах или технических комнатах), более эффективно по сравнению с традиционным постоянным освещением на рабочих местах вне зависимости от потребности. 

  1.Оптимизация  теплоэнергетического  воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора его формы и ориентации 

     Теплоэнергетическое воздействие наружного климата  на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора формы  здания (для зданий 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 оболочку здания и, следовательно, снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период - увеличить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и уменьшить затраты на отопление. Аналогичные результаты будут получены при удачном выборе ориентации и размеров 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. Например, для России этими периодами года являются: наиболее холодная пятидневка, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения, расчетный год. В этом случае 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.

     В общем случае оптимизировать теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно для любого характерного периода времени.

     Важно отметить следующее: 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.

     Специалистами неоднократно проводились исследования влияния теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора оптимальных значений его размеров и ориентации. Возьмем для примера расчеты, которые проводились для климатических условий Москвы (560 с. ш.) и Ростова-на-Дону (480 с. ш.). Исходная ориентация принималась широтной, меридиональной и диагональной. В качестве объекта исследований принималось здание прямоугольной в плане формы, общей полезной площадью 1440 м². В качестве целевой функции принималась минимизация затрат энергии на обогрев здания в холодный период или на охлаждение здания в теплый период. Целью исследования являлось выявление количественного увеличения показателя теплоэнергетической эффективности здания за счет оптимального учета воздействия наружного климата на тепловой баланс здания. Результаты исследований приведены в табл. 1.

  Таблица 1.

     К наружным ограждающим конструкциям предъявляется в общем случае достаточно большое количество требований. 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 т.д. и т.п.

     Безусловно, при проектировании стремятся удовлетворить, в первую очередь, главным требованиям. Практика показывает, что количество таких требований, как правило, не более двух. В первую очередь, это  теплозащита и теплоустойчивость. Здесь открываются большие возможности для оптимизации. Сущность ее состоит в том, что надо сконструировать методом исследования операций ограждающую конструкцию, которая оптимальным образом удовлетворяла бы требуемым (нормативным) значениям теплозащиты и теплоустойчивости.

     Специалисту, занимающемуся проектированием  и расчетом систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, очевидно, что задачей проектирования и  расчета является определение двух взаимосвязанных показателей: количества энергии и способа ее распределения (раздачи). По существу, речь идет о том, чтобы рассчитать и запроектировать такую систему управления расходом и распределением энергии, чтобы обеспечить при использовании ее минимальный расход. Таким образом, задача оптимизации теплоэнергетической нагрузки на систему обеспечения теплового режима здания будет относиться к так называемым задачам на оптимальное управление и получит следующее содержание: найти такое управление расходом энергии Q(t) на обогрев помещения, удовлетворяющее уравнению теплового баланса помещения и соответствующим начальным и конечным тепловым условиям, для которого расход энергии I = Q(t)dt имеет наименьшее возможное значение.

     Управление  Q(t), дающее решение поставленной задачи, называется оптимальным управлением, а соответствующая траектория изменения температуры внутреннего воздуха называется оптимальной траекторией. Если иметь в виду, что реальное помещение есть совокупность теплоемких ограждающих конструкций и теплоемкого внутреннего оборудования (мебели), то процесс нагрева предполагает повышение температуры всей совокупности элементов помещения, то есть ограждающих конструкций и оборудования. Элементы высокой тепловой аккумуляции потребуют большего времени на разогрев. Следовательно, минимизация времени разогрева помещения достигается минимизацией времени разогрева элементов высокой тепловой аккумуляции. Можно сразу указать два простых случая: время разогрева помещения будет стремиться к минимуму, если внутренние поверхности ограждающих конструкций имеют низкие значения коэффициента теплоусвоения материалов, а также если имеет место высокая интенсивность конвективного теплообмена между внутренним воздухом и внутренними поверхностями ограждающих конструкций. Оптимальный результат достигается, если совпадают оба случая.

     Правильность  этого решения получила подтверждение  во время обсуждения доклада авторов  по данной теме в Датском техническом  университете. Датские специалисты  сообщили, что во время реставрации  католического собора с массивными каменными креслами для прихожан с целью экономии энергии на обогрев собора, используя понижение температуры внутреннего воздуха в ночное время, ими было принято решение разогрев собора начинать с разогрева электрическими подогревателями массивных каменных кресел. Экономия энергии составила 30-35%.

     Численные расчеты расхода энергии применялись для помещения площадью 24 м² и объемом 72 м³ с двумя наружными ограждающими конструкциями и окном с двойным остеклением площадью 3 м². Рассмотрены были три варианта наружных ограждающих конструкций:

     Чтобы обеспечить минимизацию времени  разогрева, были приняты данные, что разогрев осуществляется конвективными тепловыми струями, настилающимися на внутренние поверхности ограждающих конструкций. Интенсивность конвективного теплообмена соответствовала следующим трем значениям коэффициентов конвективного теплообмена: a₁=3,5 Вт/(м²o^oС); a₂=10,5 Вт/(м²o^oС); a₃= 21 Вт/(м²o^oС).

  Результаты  расчетов представлены в табл. 2.  
 

  Таблица 2. 
Результаты расчета затрат энергии на разогрев помещения