Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

Тема: Проектирование экологичеких домов

Студент гр. 4-08 БИК Расулова Мадина

Руководитель: доц. Ш.Р. Мирзаев

Бухара - 2012

ВВЕДЕНИЕ

Проблема энергетического кризиса занимает одно из центральных мест в мировой экономике и особенно актуальна она в Европе. Отсутствие собственных энергетических ресурсов в европейских странах является, прежде всего, проблемой политической, так как ставит их в зависимость от стран, являющихся экспортерами нефти и газа.

Неудивительно, что в таких условиях приоритетной задачей стал уход от использования традиционных энергоносителей, что сделало бы Европу независимой от других государств. Опираясь на передовые технологии, европейцы придумали такие дома, которые практически не потребляют электроэнергии. Несмотря на то, что ключевым моментом при разработке экодомов все же является политический подтекст, такое жилье выполняет еще одну важнейшую функцию: экодома способствуют сохранению окружающей среды.

Что такое экодом

Современный экодом внешне отличить от обычного жилища довольно сложно. Это совсем не шалаш из травы и веток (хотя встречаются и такие), а вполне самостоятельная постройка, красивая снаружи и удобная внутри. Пожалуй, от обычного коттеджа экодом отличается лишь тем, что его архитектурно-планировочное решение направлено на эффективное улавливание и удержание природного тепла внутри дома. Так, с северной стороны экодом обязательно должен быть защищен с помощью дополнительных построек или густой растительности, а с южной и восточной должен быть обеспечен максимальным количеством солнечного света.

Именно энергия солнца играет важнейшую роль в обогреве экодома. Накапливается она в специальных аккумуляторах, которые обычно устанавливают на крышах. В холодное время года в качестве дополнительного источника тепла используется генератор, который может работать на природных энергоносителях, таких как солома, дерево, биогаз и т.д.

Сам дом изготавливается из строительных материалов, которые производятся без ущерба для окружающей среды, являются малозатратными, легковозобновляемыми и позволяют возводить жилье без использования тяжелой техники. К таким стройматериалам относятся грунтоблоки, солома, дерево, камыш и т.д.

Итак, экодом обладает несколькими важными характеристиками. Во-первых, он не загрязняет окружающую среду. Во-вторых, при его эксплуатации используются возобновляемые источники энергии. В-третьих, в экодоме гораздо эффективнее расходуется энергия. И, наконец, экодом является ресурсонакапливающим, то есть производящим биотопливо (при помощи наличия современных биогенераторных систем утилизации бытовых отходов).

Особенно популярны энергоэффективные дома в Германии, Австрии и других странах Центральной Европы, где в настоящее время таких зданий насчитывается уже не одна сотня и строительство активно продолжается. Стоимость такого жилья не дешевле, а зачастую и дороже, чем стоимость обычного дома. С другой стороны, затратив больше при строительстве, вы сэкономите впоследствии, ведь вам придется тратить гораздо меньшие деньги на электроэнергию и отопление. В УЗБЕКИСТАНЕ сейчас тоже постепенно начинается строительство экодомов. Но в наших условиях создать жилище с нулевым энергопотреблением практически невозможно. Во всяком случае, на сегодняшний день.

Преимущества экологичного жилья

Пожалуй, одним из основных преимуществ экодомов следует назвать независимость от тепло- и электросетей за счет использования альтернативных источников энергии и автономной системы водоснабжения.

Кроме того, проживание в экодоме благотворно сказывается на здоровье. По словам специалистов, в экологических домах люди, страдающие бронхо-легочными заболеваниями и аллергическими реакциями, чувствуют себя значительно лучше. Это объясняется, в первую очередь тем, что при строительстве используются только самые экологичные материалы.

Оптимальный микроклимат в помещении создается без радиаторов отопления и кондиционеров, что также существенно улучшает здоровье.

История экодома

В 70-х годах прошлого века впервые зашла речь о мировом энергетическом кризисе. Конфликт Израиля с Египтом и Сирией привел к тому, что арабские страны прекратили поставку нефти в те государства, которые поддержали Израиль. В результате мировые цены на нефть поднялись до космических высот. В ходе исследований выяснилось, что разведанных энергозапасов нашей планеты хватит не более чем на 70 лет. Тогда же ученые объявили о существующей проблеме глобального потепления, которое на 40% вызвано антропогенной нагрузкой жилых домов на окружающую среду. Таким образом, и возникла идея создать экодома, для возведения и эксплуатации которых не будут требоваться невозобновимые энергоресурсы. Впервые в 1972 году построили такой дом в США. В то время речь об использовании экологически чистых материалов еще не шла. Новостройка за счет архитектурно-планировочного решения обладала более низкими теплопотерями и меньшим нагревом в жару, а благодаря ориентации по сторонам света в помещениях создавался оптимальный микроклимат.

В 1994 году более 180 странами мира была принята Рамочная Конвенция ООН об изменении климата, а в 1997 - Киотский протокол к этой конвенции. В соответствии с этими документами было решено снизить выбросы вредных веществ в атмосферу за счет развития альтернативной энергетики и снижения теплопотерь. С тех пор разработки в области создания домов с низким энергопотреблением стали еще более актуальны.

Дома практически с нулевым энергопотреблением стали появляться в Европе совсем недавно, буквально в последние 10-15 лет. Большинство экодомов построено в Германии, Дании, Швеции. Разработки в этой сфере постоянно совершенствуются. Наибольших успехов в настоящее время достигла Германия, где даже существует профессиональная ассоциация строителей из соломы, сюда строители изо всех стран приезжают обмениваться опытом.

Купить экодом в Европе практически невозможно, за счет того, что их не так много. Выгоднее получится выстроить его самостоятельно, тем более, что во многих странах сейчас существуют компании, которые специализируются конкретно на постройке экодомов.

1. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ДОМОВ

экологический энергоэффективность теплообеспечение фундамент

Исторически сложившаяся инфраструктура и архитектура подавляющего большинство городов реально не является наилучшей средой обитания для человека - и как личности, и как популяций биологического вида.

Если мы хотим, чтобы будущие поколения были здоровы в биологическом и психическим отношении, необходима стратегия осуществления демографических, архитектурно-строительных,

энергетических мер для создания экопоселений в Узбекистане.

Качество жилья и качество жизни- важнейшие составляющие среды обитания. Необходимое условие выживания человека- сохранение не тронутой и восстановление нарушенной человеком среды, в том числе и улучшение здоровья человека как части этой среды. Для кардинального уменьшения нагрузки на природную среду от жилищно-коммунального хозяйства в целом (включая производство строительных материалов, само строительство жилья и его эксплуатацию) жилье должно постепенно стать экожильем. Жилище должно соответствовать гармоничному сочетанию здорового климата в доме и охраны окружающей среды.

Экологическое жилье- это система с положительным экологическим ресурсом, дружественная окружающей природной среде. В понятие экодом входит сам дом, надворные постройки, приусадебный участок с биоботанической площадкой, садом-огородом, лесопосадками, системой накопления воды, местом отдыха. Дом и хозяйственные постройки должны быть ориентированы на минимальное энергопотребление, обязательно включать не только системы водообеспечения, системы энергетики, но и системы для биологической переработки и утилизации всех жидких и твердых органических отходов (компостные ямы, биореакторные установки). Качественно построенное жильё должно представлять собой красивое архитектурное сооружение, легко вписывающееся в окружающую среду. В понятие «качество жилья» входит и понятие «биоклиматическая архитектура», включающая целый комплекс проектных решений, позволяющих сохранить в доме комфортные микроклиматические условия за счёт использования естественных источников энергии. Проблема получения, накопления и экономии энергии решается в комплексном виде -теплосберегающие проекты экологичных домов, их расположения, применение дублирующих друг друга источников энергии. Грамотно спланированный и построенный дом с участком земли является ячейкой устойчивого развитие и позволяет уменьшить расход энергоресурсов, материалы и средства не будут загрязнять окружающую среду.

Концепция включает в себя не только эксплуатацию дома, но также производство строительных материалов, само строительство, процесс разрушения здания по истечении нормативного срока эксплуатации и утилизацию строительного мусора. Энергопассивное жилище не только экономит потребляемую энергию и другие материальные ресурсы на всех этапах описанного жизненного цикла. Оно также должно минимально загрязнять окружающую среду различными отходами вредными веществами, энергетическими излучениями и полями. Энергопассивное жилище стремится к состоянию, близкому к термодинамическому равновесию с окружающей средой. Энергопассивный экодом соответствуюет такому развитию цивилизации, когда практически не используются невозобновляемые источники энергии и материалы, и не наносится вред природе и здоровью человека. Массовое строительство экодомов сделает жилищное строительство средством решения многих экологических и социальных проблем. Экодом может обеспечить независимость от надвигающегося энергетического кризиса, роста цен на жилье и коммунальные услуги, обеспечивает качественное питание. Создает такое качество жизни, при котором семья будет иметь возможность вырастить здоровое следующее поколение. При массовом строительстве экожилья можно надеяться на качественное воспроизводство человеческой популяции в целом и восстановление нарушенного экологического ресурса в населенных пунктах. При создании энергопассивного экодома решаются три главные проблемы: строительные материалы, теплообеспечение и утилизация отходов жизнедеятельности.

Первое. Жилье должно строиться из доступных и экологически чистых материалов. Должны использоваться местные строительные материалы, малозатратные по способу добычи, переработке, перевозке, позволяющие применять технологии строительства дома без тяжелой техники, что значительно удешевляет дом и делает доступным малообеспеченным слоям населения. При рассмотрении вопроса об их применении должны учитываться энергоемкость, экологичность и жизненный цикл.

Под энергоемкостью подразумевается совокупность энергозатрат на производство, транспортировку, укладку, эксплуатацию в течение жизненного цикла того или иного материала. При этом нужно учитывать, являются ли материалы возобновляемыми и используются ли возобновляемые источники энергии для их производства, существуют ли альтернативные материалы с меньшей энергоемкостью.

Под экологичностью материала подразумевается совокупность ответов на следующие вопросы: вреден ли сам материал или его выделения для здоровья, требует ли он покрытия и насколько оно вредно; вредны ли отходы производства, строительства и эксплуатации материала, насколько экологичны и экономичны технологии утилизации материала и его отходов, относится ли он к категории местных материалов.

Жизненный цикл включает сроки службы материала, оцененные по критерию равного износа в сооружении, его ремонтопригодности и взаимозаменяемости, возможность повторного использования или безвредной дешевой утилизации.

Критериями нагрузки (вреда) на природную среду служат количество энергии, изъятой у природы в виде невозобновимых энергоресурсов и затраченной в целом на жилье (включая энергозатраты на добычу материалов, их производство, транспортировку, строительство, последующий демонтаж и утилизацию, а так же количество вредных выбросов в окружающую среду, сопровождающее эти процессы).

После окончания эксплуатационного цикла дома материалы естественным образом утилизируются на месте.

Второе. Собственная система отопления, использующая, в дополнение к обычному, солнечный обогрев дома и солнечный нагрев воды для бытовых нужд. Получение тепловой энергии из солнечного излучения осуществляется в солнечных коллекторах, в которых нагревается воздух или вода. В идеале дом должен обеспечиваться теплом только за счет солнечной энергии и являться домом нулевого энергопотребления от невозобновимых источников энергии. В этом случае от системы солнечного обогрева нужно получить столько тепла, чтобы компенсировать все тепловые потери и обеспечивать семью теплой водой. Избытки тепловой энергии накапливаются и хранятся в сезонных и суточных аккумуляторах Длительному сохранению тепла в доме способствуют также архитектурные и конструкторские решения, эффективные утеплители. Могут использоваться и другие генераторы тепла на возобновимом топливе.

Третье. При эксплуатации экодома необходимо применять естественные биоинтенсивные технологии для переработки и утилизации органических отходов (твердых, жидких) и для повышения плодородия почвы, выращивания сельхозпродукции. Это можно обеспечить ведением органического земледелия и выращивания компостных культур для удобрения сада-огорода без привоза удобрений извне. Тем самым дом должен обеспечить накапливание экологического ресурса участка, на котором он построен. При эксплуатации дома человек своей жизнедеятельностью должен способствовать преобразованию солнечной энергии в живую биомассу эффективнее, чем это происходит при естественном развитии экосистемы.

2. АРХИТЕКТУРА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ДОМА

Сухой жаркий климат Узбекистана является резка континентальным. Количество солнечных дней в году равняется к 300. Особенности климата приводят к определенному образу жизни, сильно различающемуся между зимой и летом. Жилище должно уметь настраиваться в соответствии с сезонными климатическими условиями местности. В проекте дома очень важно предусматривать существенную разницу летнего и зимнего сезонов и соответствующего образа жизни типичной местной семьи. Длинным летом значительная часть населения по традиции выращивает сельхозпродукцию на своих земельных участках и заготавливает их на зиму. Поэтому дом и подворье должны предоставить человеку максимум удобств: подсобные помещения для хранения огородного инвентаря, выращивания рассады, приготовления удобрений, накопления и хранения воды для полива, обработки и хранения продуктов и т.д.

Зимний образ жизни требует минимума подсобных помещений в отапливаемой части дома (стенные шкафы для белья и одежды, хранения небольшой доли продуктов). Большинству людей нужна просто комфортабельная квартира городского типа. Работа инженерных сетей должна протекать в двух режимах: зимнем и летнем.

В холодный период «биоклиматическое» жильё вбирает солнечное тепло, снижая тем самым нагрузку на обогревающую систему. В тёплый период года энергия солнца почти не проникает внутрь здания, аккумулируется и используется для приготовления горячей воды, избавляя жильцов от необходимости специально ее подогревать.

При проектирование энергоэкономичного дома следует учитовать следующие требования к архитектурным решениям, конструкциям и материалам:

- минимизация отапливаемой (зимней) части дома с возможным ее зонированием на постоянно отапливаемую и периодически отапливаемую части (при меняющемся состав семьи);

- оптимизация взаимного расположения отапливаемой части дома и элементов подворья для уменьшения потерь тепла зимой в отапливаемой части и при переходах из одной части в другую, и максимального удобства летом при ведении подсобного хозяйства;

- обеспечение достаточного освещения основного (зимнего) помещения при условии большого количества буферных зон; при выборе окон должна быть разумная достаточность по площади окон;

- обеспечение возможности будущего расширения (блокирования) дома без его существенной реконструкции (растущий дом)

- обеспечение установки инженерного оборудования экодома без дополнительной реконструкции и для удобной его эксплуатации

- обеспечение естественной вентиляцией в связи с повышенной герметичностью дома

- оптимальное расположение экодома на участке с учетом особенностей ландшафта и методов ведения работ на приусадебном участке.

- оптимальный, для конкретных природно-климатических условий, материал стен.

- дом должен быть легким, что и определит сокращение затрат на фундаменты.

- нужно отказаться от подвала под домом, если необходимо помещение для хранения продуктов и т.п., то лучше построит отдельное и в нем устроить хорошую гидроизоляцию, объем таких работ по сравнению с домом будет меньше, более того в этом подвальном помещении не требуется поддерживать высокую температуру, по отношению к внешней температуре.

Главные требования к инженерным системам - автономность, функциональность и простота, возможность самостоятельного изготовления большей их части, простота и удобство для профилактических и ремонтных работ, возможность замены без реконструкции дома.

Дом надо рассматривать как систему, в которой решения по водоснабжению, канализации, вентиляции, отоплению должны быть решены изначально. И только после этого надо переходить к конструкции дома, и завершающий этап это экстерьер или внешняя отделка дома.

Основные моменты «биоклиматического» (Солнечная и ландшафтная архитектура.) проектирования - это тщательная проработка формы, размеров и ориентации дома по сторонам света, а также определение положения дома относительно естественного рельефа, водоёмов, зелёных массивов. Расположение дома на участке может быть произвольным, но важно его не затенять в течение всего дня.

Солнце - единственный постоянный источник энергии. Пассивная солнечная технология - давно известный способ проектирования и строительства зданий и тысячелетиями используется людьми, чтобы получить максимум преимуществ от солнечного излучения. Если расположить дом так, что его внутреннее пространство и солнечные системы максимально воспримут солнечную энергию, хорошо его утеплить, то аккумулированного летнего тепла может хватить на всю зиму. При планировании участка надо стремиться к максимальному уменьшению размеров придомового участка, изымаемого из природы (строений и площадок с твердым покрытием). Необходимо устроить эффективный сбор дождевой и талой воды с части участка с твердым покрытием. Надо стремиться к тому, чтобы собранная вода целиком накапливалась в водоеме и затем использовалась для полива. Грамотная планировка предполагает оптимальное взаимное расположение дома, цветника, ботанической площадки с учетом естественного уклона, распределения грунтов, окружающей растительности, направления ветров. Ветер является важным фактором в ежеминутном изменении количества воздуха, проникающего в здание. При скорости ветра 8 м/с тепловая нагрузка здания удваивается по сравнению с нагрузкой, рассчитанной при скорости ветра 2 м/с. При более высоких скоростях ветра весьма эффективной защитой здания является растительная изгородь. Экономия топлива может достигать 30% при хорошей защите здания с трех сторон. Здания должны ориентироваться так, чтобы не попадать под господствующие ветры, или должны иметь защитные экраны (природные растительные или искусственные) во избежание повышенной фильтрации воздуха по периметру дверей, окон и других проемов. Входы в здание не должны располагаться с северной и западной сторон. Если же они там расположены, то защита от ветра приобретает особое значение.(Рис)

Рис. Пример дома с элементами солнечной архитектуры.

Вне зависимости от того занимается семья выращиванием сельхозпродукции на своем участке или нет, утилизация переработанных органических отходов осуществляется на собственной ботанической площадке в каждом доме. Сад и огород, как и сам дом, не должны затеняться

3. ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЭКОДОМА

Основой объемного решения индивидуального дома можно считать энергетические процессы, связанные с обогревом жилища и снижением теплопотерь. Основными компонентами теплообмена являются внешние элементы дома: стены с окнами, крыша, подвал, фундамент (рис-1).

Рис

Только за счет рациональной планировки и объемного решения можно сделать дом теплее и эффективнее. Самым простым способом снижения теплопотерь является сокращение периметра внешних наружных стен. Чем больше площадь внешних поверхностей дома, тем больше тепла уходит в окружающую среду. Излишняя измельченность и изрезанность плана резко увеличивают площадь внешних стен и теплопотери. Часто возводимые в домах башенки, сильно выступающие эркера, порталы являются путями утечки тепла.

Компактность плана требует использования рациональных и нестандартных планировочных решений: создания объединенных кухонь-столовых, второго света в гостиных, приемов свободной планировки. Основной отапливаемый объем дома обстраивается верандами, навесами, подсобными помещениями, которые используются как летние - все это преграда для теплопотерь, к тому же они обогащают фасады дома. Оконные проемы, остекление - важнейший элемент дома, требующий очень внимательного к нему отношения. Современные технологии дают возможность выполнять веранды с эффективным заполнением проемов стеклопакетами и с очень современным внешним видом, в том числе с остекленной кровлей. Окна с красивой расстекловкой, качественными переплетами, чистыми блестящими стеклами - настоящее украшение дома. В то же время это один из основных путей теплопотерь. Поэтому при проектировании дома в этом вопросе необходимо найти "золотую середину". Увеличение площади остекления повышает освещенность помещений, но оптимальным является примерное соотношение световых проемов к площади пола помещений как 1/8. При большей площади остекления в доме становится светлее, но в то же время и холоднее. Особое внимание следует уделять качеству заполнения проемов (рис-2). Тройное остекление с вакуумными стеклопакетами, пластиковыми, металлопластиковыми и деревянными переплетами, хорошие уплотнители надежно решат проблемы теплозащиты дома.

Рис. Круговорот тепла в вашей доме: 1-одинарное остекление; 2-двойное остекление; 3-тройное остекление; 4-двойное остекление с теплоизолирующими ставнями; 5-стена со стандартной изоляцией; 6-стена с усиленной изоляцией.

Устройство мансарды в доме также создает надежную преграду для охлаждения дома через кровлю, которая является наиболее ответственным элементом дома. Помимо выполнения своей функции теплового буфера, она предохраняет дом от попадания влаги - главного врага строительных конструкций. Традиционные материалы, такие как оцинкованное железо или шифер, нецелесообразно использовать ввиду их низкого экологического качества и быстрого разрушения в условиях загрязнения окружающей среды. Качественная кровля обеспечит дому тепло и долголетие. Плохая кровля - предмет постоянной головной боли владельца жилья. В качестве кровельного материала рекомендуется использовать цементно-песчаную черепицу, металлопластик или плиточный материал типа Shingle. Эти материалы отличаются долговечностью, долго сохраняют отличный внешний вид и яркую цветовую гамму.

Наряду с утеплением обязательно буферное зонирование для снижения теплопотерь. Элементы системы солнечного, инженерного оборудования размещаются на крыше дома (что предпочтительнее) или в пристройках, либо встраиваются в корпус дома. Так как со всех сторон дом имеет буферные зоны, то для эффективного освещения помимо окон специально устраиваются простые световые каналы.

Дом проектируется в одном, двух или трех уровнях (большее число уровней не желательно). В доме оборудована комфортабельная квартира городского типа с небольшим, но достаточным количеством холодных подсобных помещений. Состав помещений в экодоме общепринятый: гостиная, кухня-столовая, спальня, детская, ванная с туалетом (на 2-ом) и душ с туалетом (на 1-ом), зимний сад (по отдельному пожеланию), кладовая, прихожая, сени (веранда), мастерская (гараж), техническое помещение для размещения биотуалета, очистки стоков. Так как энергоэффективность дома - определяющий фактор, то в проектах уменьшен объем отапливаемых помещений (за счет подсобок). На планировку дома существенно влияют инженерные системы, обеспечивающие жизнедеятельность дома. Конструкция должна допускать разбивку на помещения после строительства дома и установки оборудования. Учитывая, что жизнь в доме будет длиться долго, в устройстве дома необходимо предусмотреть возможность сжатия отапливаемого жилого объема на случай, когда дети взрослеют и отселяются. Когда образ жизни в летний период связан с работами на участке, заготовками на зиму, то для этого требуются специальные летние помещения и постройки.

Подворье призвано обеспечить комфортное ведение приусадебного хозяйства в летнее время года. Подворье, как правило, включает в себя: летнюю кухню, веранду, летнюю спальню (не утепленную часть чердака) летний душ, баню, гараж, внутренний дворик (желательно с навесом), пристроенную к дому теплицу, дровяной склад, погреб, ледник, систему сбора воды с территории участка с искусственным покрытием, бассейн.

Когда жилая часть обстроена таким количеством буферных помещений, необходимо при проектировании очень внимательно отнестись к обеспечению инсоляции (солнечного освещения) жилых помещений, устраивая окна на крыше и оборудуя специальные световые окна.

3.1 Пути повышения энергоэффективности объектов строительства

Как показывают результаты прогнозирования энергетических перспектив развития общества, наиболее выигрышны сегодня два пути повышения энергоэффективности объектов строительства:

1. экономией энергии (снижением энергопотребления и энергопотерь, в т.ч. утилизацией энергетически ценных отходов);

2. привлечением возобновляемых природных источников энергии.

Мероприятия, соответствующие преимущественной ориентации на один из этих путей, имеют принципиальные отличия и позволяют выделить два класса энергоэффективных зданий - использующих и не использующих энергию природной среды.

Энергоэкономичные здания - не используют энергию природной среды (т.е. альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления.

Энергоактивные здания - ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды (природно-климатических факторов внешней среды) в целях частичного или полного (автономного) энергообеспечения.

Типы зданий по энергоактивности.

Идея энергоактивных зданий явилась результатом поиска путей наиболее экономичных средств энергоснабжения объектов строительства и подразумевает достижение этой цели благодаря возможности производства энергии непосредственно на объекте, сулящей перспективу полного отказа от устройства внешних инженерных сетей.

Практика показывает, что в современных условиях далеко не всегда экономически оправдано полное замещение традиционных энергоносителей возобновляемыми; в большинстве случаев это объясняется невысоким к.п.д. имеющихся сегодня технологических средств утилизации энергии природной среды при довольно значительной их стоимости. Поэтому, наиболее целесообразными признаются разнообразные комбинированные схемы энергоснабжения, сочетающие использование традиционных и одного (или нескольких) видов альтернативных средств.

По целесообразной степени энергоактивности различают здания:

· с малой энергоактивностью (замещение до 10% энергопоступлений);

· средней энергоактивностью (замещение 10 - 60%);

· высокой энергоактивностью (замещение более 60%);

· энергетически автономные (замещение 100%);

· с избыточной энергоактивностью (энергопоступления от природных источников превышают потребности здания).

Экспериментальное строительство 1970 - 1980-х годов показало, что экономически эффективными стали здания со средней энергоактивностью, в которых энергией возобновляемых природных источников обеспечивается от 40% до 60% общей потребности.

3.2 Использование возобновляемых источников энергии

К возобновляемым источникам энергии, используемых в современном строительстве, относятся:

· энергия солнца (тепловая и световая составляющие солнечной);

· геотермальная (тепло верхних слоев земной коры и массивных поверхностных форм рельефа - скал, камней и т.п.);

· гидротермальная (тепло грунтовых вод, открытых водоемов, горячих подземных источников);

· аэротермальная (тепло атмосферного воздуха);

· кинетическая энергия воздушных потоков (энергия ветра - "вторая производ-ная" от солнечной энергии);

· кинетическая энергия водных потоков (энергия водопадов и морских приливов - "производные" от гравитационных сил Земли и Луны);

· энергия биомассы (растительности, органических отходов промышленных и сельскохозяйственных производств, а также жизнедеятельности животных и людей);

Например, ветровые энергетические ресурсы континентов, которые могут быть когда-либо использованы (с учетом неизбежных потерь), оцениваются сегодня в 40 ТВт, при этом современное энергопотребление человечества составляет около 10 Твт. Биомасса уже сегодня обеспечивает до 13% мирового производства энергии. Однако, природные энергетические ресурсы распределены весьма неравномерно. Системы энергоснабжения зданий и населенных мест, использующие энергию природной среды, часто оказываются экономически эффективнее традиционных не только вследствие значительного снижения потребления обычных дорогостоящих топливных ресурсов, но и как более дешевые в строительстве.

Достоинства альтернативной энергетики.

Одним из важнейших достоинств альтернативной энергетики является ее экологичность: процесс получения энергии от возобновляемых источников не сопровождается образованием загрязняющих окружающую среду отходов, не ведет к разрушению естественных ландшафтов, практически исключает опасные для биологических субстанций аварийные ситуации, т.е. никак не угрожает экологическому равновесию экосистем. Исключение составляет использование биомассы, предполагающее получение энергии посредством традиционного сжигания твердого биотоплива-концентрата и биогаза.

В зависимости от принятой ориентации на использование того или иного природного источника энергии различают:

· гелиоэнергоактивные здания (эффективно использующие энергию солнца);

· ветроэнергоактивные здания;

· здания, использующие гео-, гидро- и аэротермальную энергию;

· здания с комбинированным использованием различных природных источников энергии.

3.3 Проектирование энергоактивных зданий

Проблемы проектирования энергоактивных зданий.

Наиболее важной проблемой при проектировании зданий, использующих энергию природной среды, является поиск путей и средств эффективного управления процессами распределения энергетических (воздушных, тепловых, световых и др.) потоков с целью поддержания оптимальных микроклиматических параметров помещений в условиях циклических (суточных, сезонных) и периодических (облачность, осадки) изменений параметров внешней среды. При этом ключевое значение имеет решение трех задач:

1. как собрать энергию (как получить необходимое количество энергии, учитывая ее определенную рассеянность во внешней среде, т.е. компенсировать недостаточную мощность естественных энергетических потоков);

2. как хранить(аккумулировать)собранную энергию (как компенсировать характерное несовпадение во времени периодов и суточно-сезонную неравномерность поступления и потребления энергии);

3. как распределять энергию (как обеспечить регулируемое распределение энергии в здании для обеспечения требующихся в данный момент и в данное время функционально-технологических и микроклиматических параметров его элементов).

Пути решения.

Два отличных подхода к организации среды обитания человека:

1. Техноцентрический (традиционный) подход, рассматривающий здание как внутренне замкнутую систему, предполагает приоритетность задач по усилению изоляционных свойств ограждений и выражается использованием, преимущественно, инженерно-технических (активных) средств повышения энергоэффективности здания, что предполагает "принудительный" характер протекания энергетических процессов, обеспечивающий возможность получения большого количества высококонцентрированной энергии

2. Экологический подход, рассматривая здание как изначально тесно взаимосвязанный с внешней средой организм и следуя логике природных явлений, ставит целью решение энергетических задач на основе целенаправленной организации особой материально-пространственной среды, обеспечивающей регулируемое, но естественное протекание требующихся энергетических процессов: само здание, его конструкции и пространства, объекты окружающей среды выполняют роль энергетической установки. Технические системы при этом выполняют простые вспомогательные (в основном, корректирующие) функции. Энергетическая эффективность пассивных систем пока невысока: сегодня ими можно обеспечить около 50% потребности зданий в энергии. Рзультаты многих программ по энергосбережению в строительстве, полученные в конце 1980-х годов, в целом, показали более высокую экономическую эффективность пассивных энергосистем относительно большинства активных: решающее значение приобрели стоимостные, экологические и эксплуатационные качества.

Активные и пассивные системы.

Принципиальные отличия активных и пассивных средств (или систем) можно обозначить несколькими примерами основных средств для сбора и аккумулирования энергии различными энергоактивными зданиями.

Гелиоактивные здания.

Основными активными средствами являются такие технические устройства как:

· гелиоприемники - в виде панелей из фотоэлектрических элементов, обеспечивающих получение электроэнергии, или плоских гелиоколлекторов теплообменного типа, обеспечивающих получение тепла;

· гелиостаты - зеркальные отражатели, перераспределяющие потоки солнечной энергии (позволяют сократить площадь коллекторов в 2 - 4 раза);

· концентраторы - криволинейные (обычно, зеркальные) отражатели, обеспечивающие сведение энергетического потока к точечному приемнику, на котором за счет повышения плотности излучения можно получать температуры до 650 О С с к.п.д. около 75%.

Плоский коллектор (слева) и вакуумный коллектор (справа)

С другой стороны, основными пассивными средствами будут служить:

· термические емкости - нагреваемые солнцем и медленно отдающие тепло естественные аккумуляторы;

· энергоактивные буферные пространства собирают тепло, отдаваемое термическими емкостями во внешнюю среду, посредством естественного "парникового эффекта", который имеет место в пространствах со светопрозрачными наружными ограждениями (теплицы, оранжереи, веранды) и позволяют обеспечить до 25% энергопотребления;

· "солнечные трубы" - вертикальные пространства на всю высоту здания, через которые осуществляется внутреннее воздушное отопление (зимой) и качественное проветривание (летом) всех основных помещений за счет эффекта естественной вертикальной тяги;

· другие ландшафтно-градостроительные, объемно-планировочные и конструктивные средства, обеспечивающие приток наибольшего количества энергии к "улавливающим" ее частям здания, а также кратчайшие пути ее распределения (универсальный принцип для всех видов энергоактивных зданий);

· комбинированные системы. Стена-витраж, например, обеспечивает нагрев внутренних ограждений помещения, выполненных в виде термических емкостей, и позволяет получить до 17% требующейся энергии, или стена Тромбэ, провоцирующая сильный "парниковый эффект" в неширокой (до 16 см) воздушной прослойке позволяет экономить около 55% энергии. А остекленные атриумы, как пассивные системы, стали наиболее характерным элементом сооружений, проектируемых в соответствии с принципами биоклиматической архитектуры.

Возможное выполнение внешних элементов

Варианты установки гелиосистем.

Отклонение выравнивания от юга не более чем на 45 градусов на восток или запад возможно. Это незначительно сокращает поступление солнечной энергии. Если можно выбирать между юго-западным и юго-восточным расположением, следует выбрать юго-запад.Отклонения от идеального положения коллектора можно в какой-то мере компенсировать, увеличив площадь коллектора.

Эта диаграмма показывает положение солнца в любое время года. Например, 21-ого января солнце встает под углом 60 градусов к южному ориентиру и в полдень достигает максимальной величины примерно в 23 градуса.

Существует основное правило, что коллекторы, чтобы они работали эффективно, не должны быть затемнены около 6 часов днем. Тень зимой от соседних зданий, деревьев и так далее не является серьезной проблемой (если исключить гелиоустановки, отапливающие помещения), в это время года по причине низких температур окружающей среды и короткой продолжительности светового дня и так не следует рассчитывать на значительную эффективность.

Идеальный угол наклона зависит от времени года, так как летом солнце стоит выше, чем зимой. Подгонка положения солнечного коллектора по солнцу, однако, технически трудна и может повлечь повреждения, почему коллекторы в зависимости от назначения и крепятся под определенным углом относительно линии горизонта.

Установка на крышу.

Крыша дома в большинстве случаев является самым рациональным местом размещения коллектора, потому что, как правило, она достаточно высока, что позволяет избежать тени от деревьев и соседних здании.

Различаются два вида установки:

џ монтаж в крышу. Предпосылкой для этого является наклон крыши на 30-50 градусов и ориентация на юго-запад юго-восток. Это самый дешевый и самый привлекательный с эстетической точки зрения вариант. Площадь коллектора заменяет в конкретной части крыши кровлю, а кровля получает защиту от атмосферных воздействий. Как правило, коллекторы легче традиционной кровли (например, черепицы), это означает, что нет никаких дополнительных статистических нагрузок на несущую конструкцию крыши.

џ установка на крышу. Этот вид установки применяется при очень небольшом наклоне крыши (например, волнообразный асбестовый шифер) и если крыша плоская. Кроме того, существуют дополнительные статистические нагрузки на несущую конструкцию крыши (ветровая нагрузка).

Установка на фасад.

Если крыша не подходит для установки солнечного коллектора (например, она ориентирована на север-юг), существуют стены, ориентированные на юго-запад и юго-восток. В этом случае коллектор может служить еще и козырьком над входной дверью или террасой.

Особым случаем является интегрирование коллектора в фасад (солнечный фасад). Вертикальное расположение коллектора (угол наклона 60-90 градусов, если мерить от горизонтальной линии) означает высокий КПД коллектора в зимнее время или плохой КПД в летнее время. Этот вариант установки подходит для частичного солнечного отопления здания при помощи больших площадей коллекторов. Вертикальный угол установки эффективен летом, если Вы собираетесь использовать коллектор только для водонагрева.

Независимое расположение.

Для независимого расположения требуются постройка, которая будет защищать коллектор от атмосферных воздействий и нержавеющая несущая конструкция, к тому же он дороже, чем установка на крышу. Преимуществом этого вида расположения является то, что коллектор легко доступен для установки и ремонта.

Ветроактивные здания.

Для ветроэнергоактивных зданий активными средствами будут ветрогенераторы и ветроколеса с вертикальной или горизонтальной осью вращения, пассивными - ландшафтно-градостроительные приемы и приемы формообразования энергоактивных частей здания, обеспечивающие концетрацию ветрового потока и направление его к ветроколесу; для эффективной работы ветроколеса необходимо преобладание в течение года ветров со скоростью не менее 3 - 5 м/с.

Здания, использующие гео-, гидро- и аэротермальные источники энергии.

Основными активными средствами для зданий, использующих гео-, гидро- и аэротермальные источники энергии являются тепловые насосы - системы трубопроводов, в которых циркулирует морозостойкая жидкость (масло, спирт и т.п.), собирающая низко потенциальное тепло воздуха, грунта или воды за счет поддерживаемой разницы температур и, как правило, передающая его через теплообменники теплоносителю системы.

Тепловые насосы относятся к наиболее эффективным средствам использования энергии окружающей среды. Имея повышенную мощность они способны обеспечивать энергией целые районы городской застройки: энергоустановка в г. Фагерсьё (Швеция) на основе теплового насоса, использующего тепло атмосферного воздуха, на 80% обеспечивает потребности в тепле территории с 817 жилыми зданиями, школой и торговым центром. В той же Швеции уже к 1985 году на разных объектах было установлено более 70 тыс. тепловых насосов (около 50% из них использовали тепло атмосферного и вентилируемого воздуха).

Вземление здания.

Самым эффективным пассивным средством использования геотермальной энергии является вземление (присыпка грунтом) или заглубление здания. По опыту США, заглубленные здания позволяют экономить до 60% энергии уже в конце 1970-х годов около 5% новых индивидуальных жилых домов в США строилось в заглубленном исполнении. В числе многих достоинств заглубленных и вземленных зданий следует выделить:

· эффективное использование разработанного грунта, который, как правило, оставляется на площадке и применяется в качестве средства присыпки (обваловки) здания и организации ветрозащитных и солнцеаккумулирующих форм рельефа на территории участка;

· прекрасные эксплуатационные характеристики наружных ограждений: во-первых, вземление здания позволяет значительно сократить (или исключить полностью) его наиболее дорогостоящие фасадные поверхности, а во-вторых, теплоинерционные массивы грунта, укрывающие стены и кровли, смягчают резкие колебания температурно-влажностных параметров внешней среды, предохраняя материалы покрытий от быстрого разрушения;

· высокую тепловую инертность, выражающуюся в очень медленной теплоотдаче (при отключении источника тепла температура внутреннего воздуха в заглубленном здании снижается на 1-2^о С в сутки.

· высокую градостроительную маневренность: заглубление позволяет, к примеру, компактно располагать весьма крупные объекты, не нарушая сложившегося характера среды и обеспечивая дополнительные рекреационные пространства.

Наиболее существенными недостатками заглубленных зданий является некоторая усложненность строительства, естественного освещения и вентиляции. Кроме того, при строительстве полузаглубленных зданий (а они в условиях равнинных ландшафтов, как правило, наиболее экономичны) требуется резерв территории для обваловки.

Принципы проектирования энергоактивных зданий.

На уровне градостроительства:

1. выявление благоприятных и неблагоприятных с энергетической точки зрения факторов внешней среды (природно-климатических и антропогенных) в районе строительства и оценка их возможных воздействий на энергетический баланс проектируемого объекта;

2. выбор площадки строительства с наибольшим потенциалом энергетически благоприятных факторов и наиболее высокой степенью естественной защищенности от неблагоприятных;

3. целенаправленное использование существующих и организация новых природных и антропогенных форм ландшафта с целью концентрации энергетически благоприятных и защиты от неблагоприятных воздействий факторов внешней среды.

На уровне объемно-планировочного решения:

1. повышение компактности объемных форм зданий с целью снижения удельной площади поверхности теплоотдачи;

2. оптимизация формы и ориентации объекта, направленная на максимальное использование благоприятных и нейтрализацию неблагоприятных воздействий внешней среды в отношении энергетического баланса здания;

3. обеспечение объемно-пространственной трансформативности здания как средства адаптации к меняющимся воздействиям внешней среды;

4. включение (предусмотрение возможности включения) в объемно-пространственную структуру здания элементов, обеспечивающих приток и эффективное использование энергии внешней Среды;

На уровне конструктивного решения:

1. оптимизация энергетической проницаемости (изолирующих свойств) ограждений с целью защиты от неблагоприятных и использования благоприятных воздействий внешней среды;

2. придание конструкциям здания дополнительных функций (введение дополнительных конструктивных элементов), обеспечивающих эффективное регулируемое распределение внешних и внутренних энергетических потоков в процессе эксплуатации объекта;

3. обеспечение геометрической трансформативности конструкций как основных средств адаптации объекта к изменению условий внешней Среды.

На уровне инженерно-технического обеспечения:

1. снижение энергопотребления системами инженерно-технического обеспечения зданий и территорий за счет улучшения их технико-эксплуатационных параметров;

2. утилизация вторичных энергетических ресурсов, образующихся в процессе функционирования систем инженерно-технического обеспечения зданий и территорий;

3. обеспечение автоматического контроля и регулирования процессов распределения энергии в системах инженерно-технического обеспечения зданий.

Тепловая эффективность.

Для оценки тепловой эффективности энергоактивных участков введены обозначения площадей: участков Sх, общей наружных ограждений S0, суммарной полезной здания Sп.

Тепловая эффективность участков выражена отношением (S0 - Sх)/ Sп. На рис. 1 показана зависимость этого отношения от этажности здания с учетом допущения, что коэффициент теплопередачи k всех наружных ограждений, в том числе конструкции пола, одинаков, за исключением энергоактивных участков ограждения, для которых тепловой баланс принят равным нулю (k=0). Величина упомянутого отношения, а следовательно, теплопотери здания снижаются как с увеличением площади Sх энергоактивных участков, так и особенно, с ростом этажности здания.

На рис.2 показана зависимость Sх/Sп от ширины сооружения с разной высотой этажа Нэт, характерная для здания любой этажности в случае, когда энергоактивная конструкция занимает всю площадь инсолируемого фасада.

Критерием экономической эффективности энергосберегающих мероприятий должен служить минимум приведенных энергозатрат. Удельные расходы тепла на 1 м2 общей площади гражданских зданий возросли с начала 60-х годов примерно на 45... 50%.

Одним из главных направлений повышения тепловой эффективности зданий является повышение качества строительных материалов, конструкций и их монтажа.

Примеры энергоактивных зданий.

Небоскреб Carpe Diem

В Париже были представлены два проекта офисных зданий, задающие новый стандарт для энергоактивных построек. Первый из них - это новый небоскреб Carpe Diem для района Дефанс, спроектированный Робертом А. Стерном.

Заказчиком выступила крупнейшая европейская страховая компания Aviva. Здание будет образцом «устойчивой» архитектуры, рассчитанным на долгосрочное использование. Тройное застекление его навесной стены будет включать в себя солнцезащитные экраны, реагирующие на степень освещенности фасада, и решетки, обеспечивающие частичную естественную вентиляцию помещений постройки. Также проект предполагает установку системы подогрева воды с помощью солнечной энергии, энергосберегающего освещения и использование для обогрева здания «вторичного тепла».

Первый этаж башни Carpe Diem высотой 32 этажа займет атриум высотой 18 м, а на самых верхних ярусах расположатся конференц-центр и ресторан.

Офисный комплекс Energy Plus

Менее амбициозным, но еще более новаторским будет офисный комплекс Energy Plus архитектурной фирмы «Скидмор, Оуингс & Меррилл». Он будет расположен в неблагополучном районе Жаневилье на окраине Парижа. Крыша здания с полезной площадью в 70 000 кв. м вся будет покрыта солнечными батареями. В результате, постройка на 5000 сотрудников будет полностью снабжать себя электроэнергией, чему пока не было примеров в сфере коммерческой недвижимости. Также выброс CO2 комплекса Energy Plus в окружающую среду будет равняться нолю. Оба этих фактора делают это здание уникальным.

Также рекордно низким будет потребление им электричества - не более 16 киловатт на метр офисной площади в год (в стандартной современной постройке эта цифра колеблется от 80 до 250 киловатт). Вместе с тем, строительство Energy Plus обойдется на 25-30% дороже, чем обычного офисного комплекса, а также займет значительно больше времени, и, если бы не поддержка американских политиков и французского правительства, проект едва ли удалось реализовать.

Солнечный дом «Лейпциг».

В ноябре 2007 года фирма «HELMA Eigenheimbau AG» представила посетителям первый образец солнечного дома в Лэрте недалеко от Ганновера.

На южной стороне здания расположены окна большой площадью и зимний сад, который простирается вплоть до крыши, что способствует получению солнечного тепла.

Свободное движение холода под домом достигается так называемыми морозными зонтами, которые проложены под зданием. Для того чтобы будущие жильцы могли использовать солнечную энергию, в доме установлен накопитель высотой 4,6 м, диаметром 1,4м и объемом 7000л. Встроенный в жилую часть здания накопитель является характерным признаком любого солнечного дома.

Стены дома построены из кирпича с изоляцией, заполненный перлитом, который обладает хорошими физическими и экологическими качествами, а пол сделан из железобетона. Такой метод строительства обеспечивает домам быстрый процесс теплообмена, что, в принципе, хорошо для солнечного дома. Ширина внешней стены составляет 42,5см.

Благодаря солнечным элементам площадью 40 мІ дом получает тепловую энергию, которую затем накапливает. Солнечные элементы расположены на южной стороне крыши под углом 45 градусов справа и слева от зимнего сада. Поверхность над зимним садом используется для размещения фотогальванической энергетической установки площадью примерно 11 мІ, что оптимизирует и продолжает концепцию солнечного дома. Накопленной солнечной энергии хватает для того, чтобы отапливать дом несколько недель. Лишь в холодный несолнечный период солнечная установка поддерживается печью с аппаратом для сухой перегонки дерева мощностью 25 кВт.

...