«Стеклянный дом» с пассивным использованием тепла солнечной радиации
Здания с большой площадью светопрозрачных ограждающих конструкций позволяют снизить затраты тепла на отопление и освещение его за счет пассивного использования тепла солнечной радиации и преимущественно естественного освещения. Такие здания часто отличаются интересным архитектурным обликом. Большая площадь светопрозрачных наружных ограждающих конструкций позволяет визуально увеличить внутренний объем помещений.
Одно из первых зданий с большой площадью наружного остекления было построено в Испании еще в 1830 году. Фасад этого здания был сделан из дерева и стекла. В 1920-х годах появились первые здания с ограждающими конструкциями, полностью выполненными из стекла. Одним из первых здания с светопрозрачными ненесущими ограждающими конструкциями стал создавать известный архитектор Ле Корбюзье (Charles Edouard Jeanneret, Le Corbusier, 1887–1965).
Наряду с достоинствами подобные здания имеют и ряд недостатков. Главной проблемой при строительстве таких зданий является риск неприемлемо высоких температур в помещениях в летнее время. В жилых зданиях, у жителей, находящихся за прозрачными стенами, может возникнуть чувство «незащищенности» и связанный с этим психологический дискомфорт.
В последние годы в связи с появлением новых светопрозрачных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками в мире снова возник интерес к строительству подобных зданий. Большое внимание таким зданиям уделяется, например, в Финляндии. В Хельсинки построен целый ряд подобных домов. Интересным примером энергоэффективного и экологического строительства является информационный центр «KORONA» в VIIKKI* – университетском районе Хельсинки. В этом здании располагаются научная библиотека Хельсинского университета и филиал библиотеки Хельсинки, а также администрация факультетов и другие вспомогательные университетские службы, помещения для преподавания и проведения лекций. Здание информационного центра имеет двойную стену, причем внешний слой выполнен из светопрозрачных элементов. В пространстве между стенами располагаются сады. Воздух для системы кондиционирования забирается из различных зон этого пространства – в зависимости от требований параметров приточного воздуха в разное время суток и в разные времена года.
По периметру двойной стены расположены три зимних сада: Египетский, Римский и Японский бамбуковый. Эти сады являются местом для отдыха, открытым для всех посетителей здания информационного центра
Один из вариантов экспериментального жилого здания с большой площадью светопрозрачных ограждающих конструкций был реализован в Дании. В Эгебьергерде (Egebjerggеrd), к западу от Копенгагена, датской некоммерческой ассоциацией домостроителей «Ballerup Ejendomsselskab» был построен одноквартирный «Стеклянный дом». Этот проект представляет определенный интерес для российских специалистов, поскольку климат Дании хотя и мягче, но сопоставим с климатическими условиями европейской части нашей страны.
«Стеклянные дома» в Хельсинки
Информационный центр «KORONA»
Описание здания
Здание «Стеклянного дома» было построено в 1996 году к проводимой Датским научно-исследовательским строительным институтом (Danish Building Research Institute, SBI) выставке «Energy-aware housing – a window on the future». В течение месяца, с 24 мая до 23 июня 1996 года, здание экспонировалось на выставке, затем двенадцать месяцев в нем проживала семья, после чего «Стеклянный дом» стал использоваться как общественный центр нового жилого комплекса. «Стеклянный дом» представляет собой двухэтажное здание общей площадью 205 м 2 .
Проект здания был выполнен архитекторами Боем Лундгаардом (Boye Lundgaard) и Лин Трандберг (Lene Trandberg) и базировался на исследованиях, проводимых SBI. Целью проекта являлась экспериментальная оценка влияния светопрозрачных и полупрозрачных наружных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками на энергопотребление, естественную освещенность и микроклимат помещений «Стеклянного дома».
Наружные ограждающие конструкции «Стеклянного дома»
Наружные ограждающие конструкции здания практически целиком выполнены из прозрачного и полупрозрачного стекла с повышенными теплозащитными характеристиками. В центральной части здания расположены кухня, ванная комната и туалет. Стены вокруг центральной части, плиты покрытия и межэтажного перекрытия, а также колонны, поддерживающие покрытие над двухэтажным атриумом, выполнены из монолитного железобетона.
Общая площадь остекления «Стеклянного дома» составляет 216 м 2 , при этом площади прозрачного и полупрозрачного остекления примерно равны. Коэффициент остекления составляет 95 % для фиксированных прозрачных и полупрозрачных панелей и 45 % для окон. Большая площадь остекления позволяет использовать тепло солнечной радиации для обогрева внутренних помещений и естественное освещение, в результате чего уменьшаются затраты энергии на климатизацию и освещение здания.
Светопрозрачные ограждающие конструкции выполнены с тройным остеклением и заполнены криптоном. Из-за большой массы стеклянных элементов в конструкции дверей используется двойное остекление. Коэффициент теплопропускания составляет 0,50 для ограждающих конструкций с тройным остеклением, 0,70 для ограждающих конструкций с двойным остеклением и 0,40 для полупрозрачных ограждающих конструкций. Коэффициент светопропускания для ограждающих конструкций с тройным остеклением составляет 0,65, для ограждающих конструкций с двойным остеклением – 0,80, а для полупрозрачных ограждающих конструкций – 0,55.
По соображениям безопасности внутренние стекла многослойны. Для рассеивания яркого солнечного света используется матовая пленка, нанесенная на участки с прозрачным остеклением.
Для снижения теплопоступлений от солнечной радиации в летнее время используются солнцезащитные устройства в виде легких, но плотных тканевых роликовых штор, расположенных на внутренней стороне светопрозрачных ограждающих конструкций.
Оконные рамы и переплеты выполнены из древесины лауаны (Lauan), отличающейся высокой прочностью и долговечностью. Высокая прочность древесины позволила сделать рамы и оконные переплеты узкими, что увеличило инсоляцию помещений и улучшило внешний вид здания. Кроме этого, узкие рамы и оконные переплеты повышают теплозащитные характеристики ограждающих конструкций. Сопротивление теплопередаче стеклянного фасада составляет в среднем 1,0 м 2 •°C/Вт.
Система климатизации здания
Вентиляция
Поскольку создателями дома изначально предусматривалась возможность его использования в качестве общественного центра, то на кухне, в ванной комнате и в туалете была запроектирована система механической вентиляции. Вентиляция жилых помещений здания естественная, с организацией притока через три зенитных фонаря, через окна в верхней части здания и дверные проемы с применением системы автоматизации. При превышении в помещениях заданной температуры два зенитных фонаря и половина окон открываются автоматически для естественного проветривания. Жители дома также могут проветривать помещения, открывая окна или наружные двери.
Одна из главных проблем, возникших при проектировании «Стеклянного дома», – риск неприемлемо высоких температур в помещениях в солнечные летние дни. Проектировщики рассчитали тепловой баланс внутреннего воздуха в летний период при помощи программного пакета «tsbi3», разработанного в SBI. В летний период температура в помещениях достигает максимума после 12 часов дня. При открывании наружных дверей увеличивается уровень естественной вентиляции, что позволяет очень быстро понизить температуру помещений до приемлемой величины.
Отопление
В здании запроектирована система водяного отопления. На первом этаже в качестве отопительных приборов используются конвекторы, расположенные по периметру всего фасада, что уменьшает вероятность возникновения потоков холодного воздуха в нижней части помещений от относительно холодных наружных ограждающих конструкций. На втором этаже в качестве отопительных приборов используются обычные радиаторы, размещенные на бетонной стене городских тепловых сетей.
Экспериментальная проверка результатов реализации проекта
В период эксплуатации «Стеклянного дома» велись измерения потребляемой тепловой энергии, электрической энергии и воды, а также температуры помещений, кратности воздухообмена в помещениях и освещенности помещений.
По расчетам проектировщиков, удельные среднегодовые затраты тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение здания составляют 39 кВт•ч/м 2 (число градусо-суток отопительного периода – 3 000). По датским строительным нормам (Danish Building Regulations BR 95) в зданиях такого типа максимально допустимые затраты тепловой энергии составляют 62 кВт•ч/м 2 . Среднегодовые затраты тепловой энергии на отопление оценивались в 11 МВт•ч, в т. ч. 3 МВт•ч на горячее водоснабжение (ГВС). Однако фактические затраты тепловой энергии, измеренные в отопительный период с сентября 1997 года по апрель 1998 года, оказались выше ожидаемых на 67 % и составили 19 100 кВт•ч. Это произошло из-за расхождений между расчетными и реальными параметрами наружного климата, а также более низкими, чем ожидалось, теплозащитными характеристиками ограждающих конструкций.
В отопительный период средние удельные теплопоступления от солнечной радиации через ограждающие конструкции практически равны средним удельным теплопотерям через ограждающие конструкции. Создатели здания подсчитали, что в климатических условиях Дании для фасадов южной, западной и восточной ориентации отношение удельных теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период к удельным теплопотерям через светопрозрачные ограждающие конструкции делает применение таких ограждающих конструкций более выгодным, чем использование непрозрачных ограждающих конструкций с сопротивлением теплопередаче ниже 3,3 м 2 •°C/Вт. Значительные теплопотери через ограждающие конструкции северной ориентации частично компенсируются снижением потребления электрической энергии на освещение за счет использования естественного освещения.
Эффективность вентиляции и солнцезащиты «Стеклянного дома» оценивалась в летний период, когда риск неприемлемо высоких температур в помещениях был особенно велик. В период наблюдений здание не эксплуатировалось, и для естественного проветривания использовалось только автоматическое открывание окон и зенитных фонарей (наружные двери не открывались). Измерение температуры воздуха проводилось в помещении гостиной.
В первый период наблюдений продолжительностью две недели не использовались солнцезащитные устройства. При этом средняя температура воздуха в помещении гостиной превышала температуру наружного воздуха на 5,2 °C. Максимальное превышение температуры воздуха в помещении над температурой наружного воздуха было зафиксировано в 12 часов дня и составило 7,2 °C.
Во второй период наблюдений солнцезащитные устройства использовались. Этот период также составил две недели. Средняя температура воздуха в помещении гостиной превышала температуру наружного воздуха на 2,8 °C, а в 12 часов дня температура воздуха в помещениях превышала температуру наружного воздуха на 4,6 °C. Относительно низкая разность температур свидетельствует о высокой эффективности естественной вентиляции через автоматически открываемые окна и зенитные фонари при использовании солнцезащитных устройств.
Тепловой баланс «Стеклянного дома» в отопительный период с октября 1997 года по апрель 1998 года
Субъективная оценка комфортности проживания в «Стеклянном доме»
Кроме объективной оценки качества микроклимата помещений оценивалось и субъективное восприятие условий жизни в «Стеклянном доме»: визуальный комфорт, восприятие естественной освещенности и т. д.
По отзывам членов семьи, проживавших в данном здании, наиболее важным преимуществом «Стеклянного дома» стала высокая естественная освещенность помещений. Однако в солнечные летние дни очень яркий свет вызывал дискомфорт, заставляя жителей носить в доме солнечные очки. В пасмурные дни наиболее выгодным оказалось использование полупрозрачных окон. Кроме этого, использование полупрозрачных ограждающих конструкций вместо светопрозрачных позволяет повысить чувство защищенности и увеличить психологический комфорт людей, находящихся в здании. По этой же причине подобные дома следует располагать в частных садах.
В ряде случаев, чаще всего в послеполуденное время, температура помещений «Солнечного дома» под действием тепла солнечной радиации достигала очень больших величин, однако естественное проветривание за счет открывания окон, зенитных фонарей и дверей позволяло очень быстро понизить температуру воздуха в помещениях до температуры наружного воздуха.
Заключение
«Стеклянный дом» с пассивным использованием тепла солнечной радиации не является прототипом одноквартирных жилых домов будущего, однако опыт его проектирования и эксплуатации может оказаться полезным при проектировании энергоэффективных зданий в регионах с холодным климатом. Опыт проектирования и эксплуатации «Стеклянного дома» использовался при создании многоэтажного многоквартирного жилого дома с высокоэффективными светопрозрачными ограждающими конструкциями, построенного в Дании теми же архитекторами.
Поделиться статьей в социальных сетях:
Отопление стеклянных фасадов
Большие остекленные поверхности размером в несколько этажей — широко распространенная архитектурная практика, применяемая для разных типов современных зданий. Перед архитекторами и проектировщиками встает вопрос выбора системы отопления с учетом этой особенности здания. Обогрев такого помещения является вполне понятной и относительно простой задачей, но остается проблема борьбы с потоками холодного воздуха, нисходящими вдоль остекления. В зимний период эти потоки оказывают существенное отрицательное влияние на микроклимат помещения.
Причиной возникновения нисходящих потоков является охлаждение воздуха у холодной поверхности остекления. Помещение необходимо экранировать от холодных нисходящих потоков. При этом ставится задача устранить сквозняки и обеспечить комфортные условия в помещении согласно существующим нормам.
Идеальное решение: оконные отопительные системы
Оконные отопительные системы представляют собой практичное и недорогое решение проблемы нисходящих холодных потоков на остекленных поверхностях. Оно все чаще реализуется не только в офисных и торговых зданиях, но и в жилом секторе. Альтернативные высокотехнологичные варианты (например, применение стеклопакетов с газонаполнением или сдвоенных фасадных окон) до сих пор не полностью удовлетворяют предъявляемым требованиям и потому необходимо дополнительное отопление фасадов.
Вспомогательные меры, например, установка обдувочных устройств со щелевыми соплами, являются довольно дорогими, особенно в случае реконструкции здания. Кроме того, они оставляют архитекторам меньше свободы при проектировании зданий.
Оконные отопительные системы SlimKon производства фирмы Kampmann GmbH, Германия, препятствуют образованию потоков холодного воздуха вблизи стеклянных поверхностей настолько эффективно, что с ними едва ли может сравниться какая–либо другая отопительная система.
Принцип действия этих систем довольно прост: нисходящие потоки холодного воздуха нейтрализуются восходящими потоками теплого воздуха. Теплый воздух смешивается с холодным, что позволяет избежать проникновения холодного воздуха внутрь помещения. При этом тепло и комфортные условия сохраняются во всем помещении. Такое оборудование особенно эффективно для зданий с большим потоком посетителей — ресторанов, бистро и тому подобных. При теплопроизводительности системы приблизительно 230 Вт/мин (то есть при температуре воды на входе/выходе 75/650C и температуре воздуха в помещении 200C) создаются комфортные условия даже в непосредственной близости от стеклянного фасада.
Современные оконные отопительные системы состоят из перфорированных профилей со встроенными в них конвекторами. Система SlimKon легко монтируется на поперечный ригель или стойку фасада, поэтому ее без труда можно установить после окончания строительных работ. При этом, архитектор может выбирать не только вид перфорации и цвет устройств (согласно RAL ), но и различные варианты монтажа. Небольшие габариты приборов позволяют устанавливать их на окнах даже с очень узкими рамами.
Минимальное запотевание стекол
Монтаж на поперечных ригелях имеет преимущество по сравнению с монтажом на стойках прежде всего в тех случаях, когда важно избежать запотевания окон. Система максимально эффективна, когда она смонтирована непосредственно перед оконными стеклами. Холодный воздух экранируется потоком теплого воздуха, который поднимается вертикально вверх. Благодаря нагреву стекла, резко снижается интенсивность конденсации влаги на нем. Возможность установки дополнительных секций позволяет расположить элементы системы по всей длине стекла в соответствии с его размером. При монтаже вблизи стекла часто возникает вопрос о потерях тепла излучением. Однако в фасадных отопительных системах этой проблемой можно пренебречь, так как доля излучения в общем тепловом потоке, создаваемом конвекторами, незначительна.
Эффективность, универсальность, экономичность
В целом, оконные отопительные системы весьма экономичны. Отсутствие сквозняков и повышенный уровень комфорта позволяют поддерживать более низкую температуру в помещении без ущерба для самочувствия. Кроме того, энергия экономится за счет гибкой системы регулирования. Малая вместимость системы по воде позволяет ей быстро и адекватно реагировать на изменения внешних условий. Звукоизолированные элементы конструкции конвектора снижают уровень шума.
Таким образом, оконные отопительные системы, с их универсальностью и простотой интеграции в конструкцию строения, обеспечивают эффективное отопление современных зданий.
