Анализ энергетических характеристик заглубленных зданий
С точки зрения экономии энергии рассмотрим полное чистое потребление ее различными заглубленными и наземными зданиями.
Во-первых, сезонные нагрузки определялись на основании среднемесячных характеристик зданий. Таким образом, расчетные значения нагрузок позволяют определять сезонные затраты на энергию и в то же время дают возможность сравнивать экономию энергии заглубленными и наземными зданиями. Однако эти усредненные цифры не учитывают суточных пиковых нагрузок при экстремальных погодных условиях, поэтому они не могут быть использованы для расчетов систем ОВ и КВ. Если колебания температур, отражающие реальные изменения погодных условий, ввести в расчеты, то следует отдать предпочтение заглубленному зданию, так как из-за большой тепловой массивности оно меньше подвержено влиянию быстрых изменений температуры.
Во-вторых, потери и поступление энергии за счет теплопередачи включают в себя также потери и поступление солнечной энергии. Таким образом, ориентация окон, которая существенно влияет на поступления солнечной радиации, также сказывается и на количестве теплопередачи. Принимается, что вся пассивная солнечная энергия накапливается и расходуется внутри здания — ее излучение исключается. Важно отметить и то обстоятельство, что рассматриваемые заглубленные здания введены в эксплуатацию не менее трех лет назад. В начальный период эксплуатации заглубленного здания расход энергии несколько выше, пока в окружающей его земле не установится новый стационарный температурный режим.
Рис 3-17. Полностью заглубленное одноэтажное здание площадью 140 м
Еще одна предпосылка касается нагрузок на вентиляцию и отопление помещения. Предполагается, что они умеренные, однако могут изменяться в широких пределах в зависимости от многих факторов. При чтении энергетического обзора следует иметь в виду, что отрицательные цифры характеризуют тепловой поток из помещения.
В первом случае сравниваются два здания: полностью заглубленное одноэтажное возвышающегося типа (вариант А) и таких же размеров обычное наземное (вариант Б). Оба здания площадью по 140 м2 имеют северные и южные стены длиной 14 м, западные и восточные длиной 10 м при высоте потолка 2,5 м. У заглубленного здания северная, западная и восточная стены засыпаны землей. Площадь остекления южной стены 35%. Крыша представляет собой 30-см железобетонную плиту, по которой уложен слой поли-стиреновой изоляции толщиной 10 см с земляной засыпкой толщиной 50 см. Изоляция также уложена па верхней части стены до глубины 2,15 м от поверхности земли.
При анализе данных, приведенных в примерах А и Б, становится очевидным, что потери энергии за счет теплопередачи у заглубленного здания значительно меньше, чем у любого наземного. Если здание хорошо герметизировано и, следовательно, неконтролируемая инфильтрация исключена, то энергия для вентиляции и восполнения потерь тепла создает некоторый излишек тепла (313 кВт-ч) в примере А в зимнее время. Это означает, что количество тепла, получаемое зданием за счет солнечной энергии и внутренних источников тепла, превышает теплопотери через ограждающие конструкции. За те же семь зимних месяцев все здания из примера Б имели дефицит энергии, который колебался от 5830 до 9341 кВт-ч. Эти цифры характеризуют количество тепла, 1 которое необходимо для поддержания температуры воздуха в здании на уровне 20°С.
Летом земля охлаждает заглубленное здание, хотя и несколько меньше, чем зимой. Если температура воздуха в заглубленном здании может быть поднята до 25,6 °С летом, то масса окружающего грунта будет отбирать 969 кВт-ч энергии. В эти же три летние месяца наземное здание будет обогреваться за счет солнца и наружного воздуха, что обеспечит теплопоступление в размере от 2519 до 3658 кВт-ч для наземных зданий дополнитель-' но к внутренним теплопоступлениям. Анализируя количество теплопоступлений в летнее время, можно сделать вывод, что нагрузки на охлаждение у наземных зданий в 6—8 раз выше, чем у заглубленных.
Рассмотрим еще одно одноэтажное здание — частично заглубленное (пример В). Так же как и в примере А, три стены, кроме южной, имеют земляную засыпку, площадь окон составляет 35% поверхности южной стены. Единственное отличие состоит в том, что в примере В отсутствует засыпка крыши. Очевидно, что такой вариант в меньшей степени отвечает условиям эксплуатации здания в зимнее время. Вместе с тем дополнительные теплопоступления летом (2326 кВт-ч) вызывают значительный нагрев крыши. Хотя этот вариант менее практичен, чем полностью заглубленное здание (летние теплопоступления составляют 731 кВт-ч), однако и здесь теплопоступления почти в 2 раза меньше, чем у наземного здания.
Рис. 3.20. Вариант Г полностью заглубленного здания
Здание без оконных проемов (вариант непригодный для жилья) показано на примере Г. Он приведен только для иллюстрации характеристики полностью заглубленного пространства. В этом случае потери за счет теплопередачи в зимнее время существенно выше, чем в примере А, где имеется открытая южная стена.
Даже при условии, если потери тепла через южную стену в примере А больше, чем в примере Г, теплопоступление вследствие солнечной радиации через окна (которые тоже включены в расчет величины теплопередачи) больше, чем потери. Расходование энергии в летнее время эффективнее, чем во всех предыдущих примерах.
Пример Д показывает, что возможно увеличение площади здания в 2 раза без увеличения потребления энергии за счет уменьшения потерь тепла зимой и лучшего естественного охлаждения летом. Это объясняется двумя основными факторами.
Во-первых, двухэтажная планировка (пример Д) более компактна, чем одноэтажная (пример А). В самом деле, хотя здание в примере Д имеет площадь в 2 раза большую, чем здание в примере А, однако общая площадь его поверхности больше только на 30% (520 м2 против 400 м2). Так как количество потерь тепла является функцией площади, через которую происходит теплопередача, то очевидно, что более компактное здание имеет преимущества перед менее компактным.
В условиях северного климата часто применяют двухэтажную планировку обычного наземного здания с цокольным этажом, через который осуществляется вход в поме-щение. Два варианта такого типа здания, представленные на рис. 3.22, иллюстрируют характеристики здания со стандартной (Е—1) и улучшенной (Е — 2) изоляцией. Их конструкция соответствует типам X и Y, описываемым в прил. 2. В обоих случаях площадь окон составляет 35% поверхности южной стены, а три остальные стены без окон. Анализ приведенных данных показывает, что хотя на нижнем этаже здания значительно улучшаются тепловые характеристики, те же характеристики верхней части здания настолько ухудшают общие показатели, что сравнение с примером Е явно в пользу последнего.
Важной характеристикой энергетической эффективности домов является скорость понижения температуры воздуха в помещении при нарушении энергоснабжения. Этот показатель имеет особое значение для Миннесоты, где из-за снежных буранов возможны перебои в энергоснабжении, а суровые зимние условия могут привести к резкому падению температуры в здании.
Можно установить, что скорость падения температуры воздуха в заглубленном помещении составит 1 °С в сутки. Таким образом, обеспечивается не только большая степень безопасности, но эти безопасные условия поддерживаются в течение нескольких суток до того, как здание станет непригодным для проживания в нем. Сделанные выводы совпадают с результатами длительной эксплуатации заглубленных зданий (Дэвид-Хаус).