Современные здания почти невозможно представить без больших окон или стеклянных фасадов внушительных размеров, однако из-за специфических особенностей теплопроводности и светопропускания стекла при желании круглогодично поддерживать в здании необходимый микроклимат требуются большие энергозатраты. Требования к производству и потреблению тепловой энергии для отопления, а также теплотехнические характеристики ограждений зданий регламентированы во многих нормативных документах.
В то же время охлаждение зданий регламентируется только одним стандартом [10]. Поэтому при определении мощности и потребления охлаждения приходится руководствоваться методиками, описанными в других источниках, или компьютерными программами. Влияние остекления на энергопотребление рассматривалось многими авторами. Исследовалось влияние на энергопотребление оптимально остекленной поверхности, формы, ориентации здания по сторонам света и др. [3, 7].
Анализировались факторы, оказывающие наибольшее воздействие на потребности в отоплении и охлаждении здания, их индексы чувствительности [2], потребление тепловой энергии в зданиях [9], а также возможности снижения потерь тепла через окна [4]. Произведена оценка микроклимата административных зданий и энергозатрат с использованием фактора ЕСО [1], который по шкале от 0 до 100 % учитывает потребление тепловой энергии и влияние поддержания комфортных условий на окружающую среду.
Исследуемый объект и методика исследования
Исследуемым объектом являлись помещения в административном здании в городе Вильнюсе, находящиеся на пятом этаже. Общая площадь помещений составляла 2042 м2, фасад самой большой остекленной площади был ориентирован на восток. Площадь прозрачных ограждений составляла 2042 м2, то есть 60 % площади всех наружных стен. Для защиты от солнца использовались жалюзи внутри помещений.
Были смонтированы стеклопакеты Sun Guard HP Silver 43, коэффициент теплопроводности которых U = 1,2 Вт/(м2⋅К), а фактор совокупной проводимости солнечной энергии γ = 0,31. Коэффициент теплопроводности алюминиевых профилей был равен 1,9 Вт/(м2⋅К), соотношение окон и профилей — 90 и 10 %. Коэффициенты теплопроводности других элементов здания соответствовали нормативным значениям.
В помещениях в отопительный сезон поддерживалась температура, равная 20 °C, а в сезон охлаждения 24 °C. Системы вентиляции и охлаждения летом работают в рабочее время. Принято, что на исследуемом этаже здания работает 180 человек, рабочее время которых длится с 8:00 до 17:00 в течении шести суток в неделю. Для расчета потребления здания для отопления руководствовались действующим в Литве стандартом [12].
Мощность охлаждения исследуемого здания определялась составлением баланса притока теплоты, а годовые потребности в охлаждении анализировались, приняв предпосылку, что рабочее время на объекте составляет шесть дней в неделю с 10:00 до 19:00. Для расчетов применялась программа Литовского строительно-проектного института. Большую часть теплового баланса составляет приток теплоты из-за солнечного излучения через остекленные поверхности.
Теплота попадает в помещения через стекла при непосредственном попадании солнечных лучей и при их отражении от земли и зданий, а также при прохождении через массивные ограждения из-за разницы температур снаружи и внутри помещения. Интенсивность непосредственного и отраженного солнечного излучения определяется с учетом положения ограждения, географической широты, времени суток и года.
В климатических условиях Литвы тепловой поток, попадающий сквозь стены, можно считать незначительным. Термическое сопротивление массивных ограждений и тепловая инерция намного больше, чем у окон. Тепловая энергия, накопленная ограждениями, из-за тепловой инерции ограждений попадает в помещения с опозданием — тепловой поток опаздывает по сравнению с потоком солнечного излучения.
При расчетах по рассмотренной выше методике не учитывался приток тепла через стены, однако с помощью программы Литовского строительно-проектного института были рассчитаны притоки тепловой энергии через совмещенную крышу. Аналитически были определены притоки тепловой энергии от людей, освещения и технического оборудования. Считалось, что на объекте работает 180 человек, поэтому выделение теплоты от оборудования и вследствие метаболизма людей при выполнении легкой работы составили 220 Вт на одно рабочее место.
Теплота от искусственного освещения составило 40 Вт на один светильник. Энергопотребление было переведено к потребностям в первичной энергии с той целью, чтобы можно было объективнее оценить влияние на потребности как отдельно в тепле и охлаждении, так и в общей энергии на основании показателей первичной энергии, представленных в [8]: для природного газа применялся показатель перерасчета, равный 1,1, а для электроэнергии 2,8. Анализировались потребности в тепле и в охлаждении, принимая разные средства энергосбережения как для существующего, так и для проектируемого здания.
Меры энергосбережения для существующего здания
Для уменьшения потребления электроэнергии при охлаждении могут быть применены различные солнцезащитные средства. При проектировании зданий архитекторы Литвы зачастую недооценивают экономию энергии, получаемую благодаря применению солнцезащитных средств, а многие проектировщики в Западной Европе успешно применяют эти средства. Жалюзи, оборудованные внутри помещений многих административных зданий, не столь эффективны по сравнению с внешними.
Внутренние жалюзи могут задержать до 30 % солнечной теплоты. При использовании жалюзи внутри помещений солнечные лучи попадают сквозь стекло, тепло концентрируется между окном и солнцезащитным устройством, и таким образом эта накаленная полость греет помещение. Наиболее эффективным солнцезащитным средством являются жалюзи снаружи помещения. Они задерживают до 80 % солнечной теплоты. Однако чтобы не задерживать попадания солнечной теплоты в помещение зимой, идеальным вариантом будет применение автоматически управляемых внешних жалюзи.
Для выбранного объекта моделировались четыре варианта: без применения солнцезащитных средств; жалюзи снаружи здания; применение козырьков, лоджий, маркиз; применение других средств внутри помещения или между стеклами. Установлено, что на рассматриваемом объекте при восточной ориентации и применении нерегулируемых солнцезащитных средств — внешних жалюзи возможная экономия может составить до 20 % годовой потребности в первичной энергии для охлаждения.
Однако потребности в отоплении при этом могут увеличиться до 12 %. Часто применяемые в зданиях административного назначения внутренние жалюзи на рассматриваемом объекте могут сэкономить до 16 % теплоты при удовлетворении потребности в охлаждении. В случае оценки общих затрат энергии разница между наиболее эффективным солнцезащитным средством — внешними жалюзи и неприменяемыми солнцезащитными средствами составит 20 %.
В связи с тем, что в рассматриваемом здании уже применяются внутренние солнцезащитные средства, возможности экономии в случае дополнительно оборудования внешних жалюзи составят 15 %. Солнцезащитные средства могут применяться в качестве мер энергосбережения и эффективного использования энергии не только в новых строящихся зданиях с большими остекленными площадями, но и в уже имеющихся.
Энергосбережения могут быть более значительными, если тепловые и оптические характеристики стеклопакетов хуже, чем рассматриваемом случае.
Средства энергосбережения для проектируемого здания
Для анализируемого объекта рассматривались два варианта мер по энергосбережению: ориентация фасада по сторонам света и влияние солнцезащитных средств на энергопотребление; влияние тепловых и оптических характеристик стеклопакетов на энергопотребление. Оптимальная ориентация относительно сторон света наиболее остекленного фасада здания может считаться пассивным использованием солнечной энергии или пассивным способом энергосбережения.
Для рассматриваемого объекта были произведены расчеты энергопотребления для восьми разных ориентации наиболее остекленного фасада здания относительно сторон света. При этом принимались и обсчитывались разные солнцезащитные средства. Полученные при расчетах результаты показывают, что годовая потребность в первичной энергии для отопления во всех случаях ориентации фасада различается приблизительно на 10–14 % по сравнению с вариантами, когда не применяются солнцезащитные средства и применяются жалюзи с внешней стороны.
Очевидно, что потребности в энергии постепенно увеличиваются при применении более эффективных солнцезащитных средств. С помощью выбранной методики расчета учитывалось лишь то, что при применении солнцезащитных мер уменьшаются притоки тепла в помещения и таким образом увеличиваются потребности в теплоте. Применяя компьютерные программы, можно моделировать внешние жалюзи, регулируемые в зависимости от притоков тепла, и оценить их реальное влияние, как в зимний, так и летний период.
Изменяя ориентацию наиболее застекленного фасада здания относительно сторон света, можно сэкономить до 14 % энергии на охлаждение. Сравнение результатов, получаемых при использовании солнцезащитных средств и использовании внешних жалюзи, выявило их различие до 21 %. В случае применения внешних жалюзи наибольшей оказывается потребность в энергии на охлаждение, но и наименьшим влияние ориентации главного фасада здания относительно сторон света.
При сравнении годовых потребностей в энергии видим, что результаты различаются до 10 %. Чем эффективнее применяемые средства, тем меньше влияние ориентации фасада, так как меньше приток тепла, интенсивность которого в холодный период года и так невелика.
Выводы
Выявлено, что влияние разных энергосберегающих мер зависит от применяемых солнцезащитных средств и площади остекления. Чем эффективнее солнцезащитное средство или чем меньше площадь остекления, тем меньше влияние ориентации здания или тепловых и оптических характеристик применяемых стеклопакетов. Установлено, что наиболее эффективной мерой из рассмотренных солнцезащитных средств являются жалюзи, смонтированные с наружной стороны здания.
Они до 20 % снижают годовые потребности в энергии на отопление и охлаждение. В результате анализа влияния ориентации основного остекленного фасада в зависимости от сторон света на энергопотребление установлено, что годовые потребности в первичной энергии на отопление и охлаждение минимальны при северной ориентации.
