Дорогостоящее кондиционирование воздуха — только если это крайне необходимо

На протяжении последних десятилетий общество уделяет все больше и больше внимания проблеме защиты зданий от тепловых потерь. После нефтяного кризиса 70х годов стало очевидным, что интенсивное сжигание природных энергоносителей является слишком дорогостоящим и опасным для окружающей среды процессом, результат которого подобен бомбе замедленного действия.

Постоянно проводились дискуссии и дебаты о чрезмерных энергетических затратах. Активное научное развитие и фундаментальные исследования дали толчок к изучению понимания комплексной энергетической взаимозависимости зданий. Одновременно изменились понятия и требования в обществе. Если раньше хотелось иметь сухое и безопасное жилище, то сегодняшний максимум — это жить и работать в условиях оптимальной комфортности.

Чтобы получить контроль над стремительно увеличивающимися расходами на энергоресурсы, проводилась работа по совершенствованию энергосберегающих параметров продукции, особенно при разработке новых конструкций оконных рам (термическое разделение профилей), а также окон с изолированными теплозащитными стеклами (сегодня коэффициент теплопередачи < 1 Вт/м2K), проводился учет и конструктивное предотвращение холодных мостов, создание герметичных оболочек зданий, велась разработка высокоэффективных котельных установок и контролируемых систем вентиляции жилых помещений.

Стремления были направлены на то, чтобы минимизировать затраты на отопление. Активная разработка технологий и оборудования проводилась в соответствии с действующими европейскими нормами энергопотребления(EnEV).

Теплозащита — только ли зимняя тема?

Тенденция современной стеклянной архитектуры рисует совершенно другую картину. Современные общественные здания с фасадным остеклением часто потребляют в среднем больше энергии для кондиционирования летом, чем зимой для отопления. Приток солнечного тепла, который зимой пассивно уменьшает затраты на отопление, летом подвергает людей, находящихся внутри здания, существенному перегреву и оказывает влияние на самочувствие и производительность. Это приводит не только к увеличению затрат предприятий на кондиционирование, но и также влечет за собой рост заболеваемости сотрудников.

Совсем другой путь показывает нам применение конструктивной защиты от солнечного излучения. Ниже мы приводим способы решения встроенных фасадных или навесных солнце защитных систем для различных объектов — как наиболее эффективные методы защиты от солнечного нагрева.

Подтвердить опытным путем эффективность защиты от солнечного нагрева предлагаемых систем можно по DIN 41082: для зимних условий достаточно точно при стационарных источниках нагрева (отопительных приборов); для летних — из учета разогрева конструкций зданий и их способности аккумулировать тепло, а также температуры наружного воздуха. Эффективно повлиять на количество солнечного тепла, поступающего в здание, посредством инсоляции возможно только применив предлагаемые солнцезащитные системы. При этом определить температуру помещений позволяет специальный метод расчета по DIN 41082с учетом региональных условий. Основная цель — не превысить максимальные значения показателей климата помещений с минимальным использованием кондиционирования и механической вентиляции.

Территория Украины находится в зоне умеренного климата. Предельные значения температуры помещений различной категории зависят от температуры наружного воздуха и интенсивности солнечного излучения. Это разделение базируется на местном стандарте зданий, максимальной температуре наружного воздуха, от которых зависят допустимые значения параметров воздуха внутри помещения.

Прямо поступающая солнечная радиация, вызывающая приток тепла в помещения через окна, снижается как через степень проницаемости энергии остеклением g, так и за счет применения установок солнечной защиты. Эти обе величины влияния объединяются в общее значение поступления солнечной радиации gtotal:

Где

g — значение солнечной радиации через остекление по DIN EN 410;

FС — коэффициент уменьшения за счет установки солнцезащитной системы(таблица 1).

Оценочный параметр поступления теплоты солнечной радиации в помещение определяется как характеристика проникновения солнечной радиации определенной величины, которая определяется по формуле:

Где

S — характеристика проникновения солнечной радиации;

AW — площадь окна в квадратных метрах;

gtotal — общее значение поступающей солнечной радиации;

AG — общая площадь помещения или группы помещений в квадратных метрах.

Чем больше величина проникновения солнечной радиации в помещение, тем выше может быть ожидаемая температура воздуха помещения. Чтобы максимальное значение не превышалось, характеристика значений солнечной радиации ограничивается максимальным начением Szul:

Где

ΔSx — дополнительные значения (таблица 2);

Определение максимальных значений поступления теплоты солнечной радиации, требуемых дополнительных значений ΔSx зависит от различных воздействующих факторов, таких как климат региона, теплопроводность строительных ограждающих конструкций, вентиляция помещений в ночное время.

Если все дополнительные значения ΔSx определены и максимальная дополнительная солнечная радиация подсчитана, можно доказать необходимость летней солнцезащиты. Это выполняется, если S ≤ Szul.

Из этого простого способа доказательства понятно, что значения летней солнцезащиты нужно заранее принимать во внимание при проектировании. Для оптимального подбора и выполнения солнечных затеняющих устройств необходимо понимать физику солнца. Данные положения солнца, его проекция в данный момент на фасадные поверхности, также как и подсчет тепловых нагрузок, являются необходимым набором данных для расчета солнцезащитных устройств.

Дифференциация при оснащении фасадов

Простое решение с высокой степенью эффективности применения представляют собой горизонтально установленные, выступающие в форме козырька, системы пластин (ламели). Они подходят прежде всего для юго-восточных и юго-западных фасадов. Типичный пример установки приведен на рис. 2.

Базируясь на этой геометрии, представлены диаграммы (рисунки 3-6) существенных критериев оценки для летних месяцев, показывающие, как затененные поверхности окон заметно снижают тепловую нагрузку.

Для южных фасадов в летние месяцы выбирается расположение полного затенения оконных поверхностей (нет прямого попадания солнечных лучей в окно).

Снижение поступления теплоты солнечной радиации cоставляет около76%. Юго-восточные фасады в утренние часы по причине низко стоящего солнца не полностью затенены. Несмотря на это, снижение тепловой нагрузки достигает около 69%.

При расчетах в основу положены среднеевропейские коэффициенты. Наружное навесное устройство защиты от солнца представляет собой недорогое по цене, не требующее обслуживания, долгосрочное решение для верхнего оформления фасадов. Наряду с летним снижением перегревания зданий такое сооружение формирует одновременно его внешний вид.

Тогда как для южных фасадов может быть достаточным применение неподвижных солнцезащитных устройств, для восточных и западных фасадов по причине значительного изменения угла движения солнца (от поверхностной до прямой инсоляции при дневном солнцестоянии) применение неподвижных солнцезащитных систем не решает проблему затенения. В этом случае целесообразно применять подвижные системы солнечного затенения. В основном они применяются тогда, когда возникает серьезная проблема перегревания помещений и необходимо решить проблему комфортности пребывания людей.

Современная конструктивная защита от солнца выполняет следующие задачи:

• затемнение или снижение прямого солнечного излучения;

• значительная минимизация летней тепловой нагрузки;

• получение естественного дневного освещения; сохранение визуального комфорта(обеспечивается вид наружу);

• солнечное затенение при большой скорости ветра;

• сохранение пассивного поступления солнечной радиации зимой;

• опциональная функция управления поступающего света для дневного освещения помещений;

• опциональное фотогальваническое использование солнечной энергии;

• образное рельефное оформление фасадов.

Таким образом, конструктивная защита от солнца — это инструмент, позволяющий достигнуть комфортных условий пребывания в помещении с одновременной экономией энергоресурсов.

На рис. 7 показан принцип действия наружной подвижной солнцезащитной установки, представляющей собой ряд подвижных пластин.

Приведенные ниже значения величин относятся к пластинам, выполненным из зеленого стекла:

• солнечное тепло за счет отражения и поглощения остается снаружи, происходит конвективное охлаждение пластин;

• одновременно достигается естественное дневное освещение в помещении(высокий комфорт). Это особенно важно для помещений с высокими требованиями комфортности, таких, например, как рабочих мест с дисплеями, так как применение солнцезащитных устройств позволяет избежать бликов и оптимально сочетает комфортность на рабочих местах с эффективной экономией потребления энергии.

С помощью подвижных, оборудованных устройствами регулировки и слежения за положением солнца системами пластин, можно добиться оптимального распределения поступления тепла, света и воздуха в помещение. Исключительно подвижная реакция элементов управления солнцезащитной системы на изменение погодных условий гарантирует баланс факторов комфортности.

Расчет актуальной позиции солнца

Для управления подвижными системами пластин используются различные концепты слежения за солнцем: календарные системы слежения, которые вычисляют позицию солнца в данный момент. В зависимости от локальных внешних погодных условий, которые регистрируются соответствующими датчиками, пластины устанавливаются в следующую необходимую позицию:

• в позицию затенения (пластины вращаются вместе с передвижением солнца);

• в положение управления поступлением света (для освещения помещений);

• в диффузную позицию (пластины максимально открыты при сумрачном небе);

• в положение регулировки (возможность закрытия пластин в зимний период для снижения охлаждения здания);

• в позицию охраны здания (закрытие пластин, создание дополнительного барьера от взлома).

В зависимости от потребности пользователя настраиваются многосторонние профильные параметры системы управления подвижными пластинами.

Пассивные термогидравлические системы слежения базируются на разработках научного центра исследований солнечной энергии и водорода. При этом применяется новое поколение энергоавтарктических, термогидравлических систем слежения. Пластины движутся автоматически, совершенно бесшумно и последовательно, с естественной инерцией и по положению солнца.

Энергия систем слежения, приводящая системы в движение в зависимости от положения солнца:

• экологическая и свободная от излучения;

• без кабельной разводки;

• не требует фасадного разрыва для импульсных трубок;

• система с бесшумным приводом;

• обладает естественной инерцией (не реагирует на малое облако);

• несет гетерогенному фасадному облучению автоматический расчет;

• предлагает простой ввод в эксплуатацию.

Описание принципа действия:

Цилиндры и два абсорберных элемента образуют гидравлическую систему. В зависимости от различного направления солнечных лучей происходит различное нагревание абсорберов. Температура и связанное с этим дифференциальное давление вызывают движение колбы, и пластины поворачиваются по положению солнца.

Предлагаются различные варианты оформления пластин

Практически возможно применение различных материалов для изготовления пластин — отпрессованных алюминиевых профилей, окрашенных или нет, трафаретных стекол до текстильных мембран.

Особенное применение находят системы пластин (фотовольтаик) с дополнительным использованием солнечной энергии. Здесь достигается симбиоз солнечной защиты и активного использования солнечной энергии. Система слежения, управляющая пластинами, которая важна для выполнения задачи затенения, одновременно решает задачу оптимального попадания солнечных лучей на фотогальванические элементы солнечных батарей, что позволяет добиться в большинстве солнечных дней наиболее эффективного преобразования притока солнечной энергии по сравнению со стационарно установленными солнечными батареями.

Теплозащита, таким образом, — это и летняя тема!

Показанные возможности летней теплозащиты посредством конструктивной солнечной защиты не могут рассматриваться одиночно. При проектировании, ориентированном на достижение оптимальной комфортности в помещении и одновременной экономии энергоресурсов необходимо искать цельное решение. Из этого следует: «Использовать кондиционирование только тогда, когда уже исчерпаны все строительно-технические мероприятия для достижения нужной внутренней температуры и других критериев комфортности».

Также ясно, что конструктивная солнечная защита означает больше, чем просто отражение солнечных лучей. Это новый способ для архитекторов и проектировщиков защитить здание от перегрева, а также возможность найти индивидуальное, отвечающее потребности применение.