Тепловые характеристики заглублённых зданий

Большой интерес к заглубленным зданиям, который возник в последнее время, объясняется прежде всего тем, что в них ожидалась значительная экономия энергии. В обычном наземном здании довольно много энергии расходуется непроизводительно за счет потерь, в результате которых мы «обогреваем» или «охлаждаем» окружающее пространство. Если уменьшить теплопередачу извне и наружу, то для поддержания соответствующего микроклимата потребуется меньше энергии. Размеры теплопотерь (или теплопоступлений) для здания зависят, главным образом, от нагрузки на отопление или охлаждение воздуха, подаваемого в помещение, и от количества тепло-потерь через ограждающие конструкции. В большинстве жилых зданий объем поступающего в помещение воздуха (естественной вентиляции) определяется неконтролируемой инфильтрацией через неплотности. Эти потери тепла за счет инфильтрации можно значительно уменьшить или вовсе исключить путем обсыпки конструкций землей. В этом случае возможно устройство контролируемой вентиляции, а следовательно, возможно и устройство эффективной системы рекуперации тепла. Теплопотери зависят от теплопроводности ограждающих конструкций. Она является функцией коэффициента теплопередачи (который можно уменьшить путем устройства дополнительной изоляции) и разницы температур наружной и внутренней поверхности стены.

Рис. 3.1. График повторяемости температур 1 — минимальная температура 8 января; 2 — то же, 9 января; 3 — максимальная температура 8 января; 4 — то же, 9 января

Рис. 3.2. Распределение температур в толще грунта: 1 — максимальная температура воздуха; 2 — минимальная температура воздуха

Над землей разница температур определяется погодными условиями данной местности. Земля же сглаживает амплитуду колебаний как суточных, так и годовых температур. Изменение сезонных температур сказывается в земле на глубине нескольких метров, между тем изменение температуры воздуха в течение часов или суток на температуру земли практически не влияет (рис. 3.1).

Максимальное отклонение суточной температуры воздуха отмечалось на высоте 0,2 м над поверхностью земли. Это свидетельствует о целесообразности засыпки землей даже слоем 0,2 м.

На большей глубине отмечаются только сезонные колебания температуры, а изменения температуры заметны только спустя продолжительное время. Как показано на рис. 3.2, для района Миннесота — Сен-Пол амплитуда колебаний средней температуры с увеличением глубины медленно уменьшается. На глубине от 5 до 8 м температура почти постоянно соответствует 10 °С, что лишь на 3—4 °С выше средней температуры воздуха в этом районе и только на 10°С ниже комфортной температуры в помещениях.

Температура устанавливается выше средней, начиная с лета, когда тепло в землю приносится поступающей в грунт водой, увеличивается теплопроводность влажной.

Рис. 3.3. Влияние заглубления здания

Зимой поверхность земли промерзает и ее теплопроводность уменьшается.

Проанализируем быстрое увеличение температуры в апреле, мае, июне и медленное уменьшение ее в сентрябре, октябре, ноябре. Следует отметить отставание по фазе температур, которое возрастает с увеличением глубины таким образом, что в период наиболее высоких температур на поверхности, с июня по август, температура земли на глубине 5 м близка к минимальной и, наоборот, для периода наиболее низких температур — на поверхности.

Наиболее важный фактор в процессе контроля потребления энергии для отопления и охлаждения здания — это тепловая массивность здания, т. е. количество энергии, необходимое для того, чтобы поднять температуру на 1°С. Здание, имеющее большую тепловую массивность изоляции, может сохранять большее количество энергии. Солнечная энергия, поступающая в течение дня в здание через окна, ориентированные на юг, может накапливаться в ограждающих конструкциях, и температура будет незначительно и медленно повышаться. В течение ночи наблюдаются небольшие потери тепла. Через массивные конструкции оно медленно передается окружающему воздуху, и таким образом температура в помещении ночью постепенно уменьшается. В то же впемя здание с малой тепловой массивностью не может накапливать значительного количества энергии с повышением температуры на каждый градус. Поэтому солнечная энергия, поступающая в здание, быстро нагревает воздух в соответствующем помещении до некомфортно высокой температуры, что может потребовать установки охлаждающего оборудования. Из-за того, что количество накапливаемой энергии невелико, температура за ночь будет быстро падать, что приведет к необходимости установки отопитель-ногр оборудования.

Тепловая массивность земли, окружающей здание, оказывает аналогичное влияние на потребление энергии, и, как показывают приведенные выше цифры, уменьшает колебания температур в ограждающих конструкциях. Земля не только сохраняет энергию, но и предохраняет здание от деформаций, вызываемых колебаниями температуры, а также исключает вредное воздействие циклов «замораживание — оттаивание». В случае каких-либо нарушений в подаче тепла, например, во время исключительно холодной зимы, температура внутри здания, защищенного земляной обсыпкой, всегда будет положительной и само здание может оставаться обитаемым. Земляная засыпка не только уменьшает зависимость жизнеспособности здания от источника энергии, но и упрощает регулирование комфортности внутренней среды. Этот аспект засЛужийает особого внимания для таких обособленных зданий, как фермы, туристские и дачные поселки.

На других страницах нашего сайта x-dom.ru будут рассмотрены тепловые характеристики различных крыш, стен и полов применительно к каждому из этих элементов и в комбинации, ибо взаимодействие всех этих элементов на заглубленные здания сказывается в большей степени, чем на обычные.

Например, изменение толщины засыпки крыши здания приводит к изменению глубины посадки всего здания. В результате изменяются не только тепловые характеристики крыши, но и характеристики стен и пола.

Изучение всех существенных факторов и, таким образом, определение наиболее желательной конфигурации здания должно производиться с учетом конкретных характеристик участка, местных погодных условий, ориентации здания, его назначения и вопросов экономики. Поэтому в процессе сравнительного анализа должны быть тщательно взвешены все данные, чтобы можно было четко представлять себе влияние каждого из элементов на принимаемое решение. Приведенные в настоящей работе характеристики и выводы следует относить не только к заглубленным зданиям рассматриваемого района, но и ко всем заглубленным зданиям, которые сравнивают с обычными зданиями таких же размеров.

Потери тепла через землю

Одно из существенных преимуществ заглубленного здания заключается в том, что летом оно охлаждается за счет передачи тепла через пол и стены в землю. Проведенные исследования потерь и поступления тепла через стены и пол в течение летних месяцев (см. с. 185) позволили установить размеры этих теплопотерь. Благодаря охлаждающему эффекту нагрузка на систему охлаждения весьма мала. Можно усилить влияние охлаждающего эффекта, увеличив площадь соприкосновения стены с землей. Однако, если земля будет укрывать южную стену, по которой обычно стараются расположить окна, то это дополнительное охлаждение в летнее время отрицательно скажется на эффективности пассивного обогрева здания зимой. При определении высоты засыпки здания надо учитывать годовой баланс энергии.

Вентиляция в холодный период года

В заглубленном здании, так же как и в обычном, можно добиться существенного охлаждения путем применения вентиляции в ночное время. Благодаря большой тепловой массивности заглубленного здания «запас холода», образовавшийся за счет вентиляции в течение нескольких холодных дней, можно использовать в течение нескольких теплых дней.

В приводимых расчетах для окон, ориентированных на юг, принималось, что шторы открыты в течение всего светлого времени суток. Несмотря на наличие козырьков у окон, большое количество солнечной радиации в летнее время проникает в здание. Значительную долю поступления этого тепла можно предотвратить, если зашторить окна от солнца и использовать вентиляцию в ночное время.

Увлажнение крыши

Часто над крышей заглубленных зданий высаживают растительность, чтобы предупредить развитие эрозии, уменьшить температуру земляной засыпки, а также из соображений эстетики. Применение правильно решенной системы полива позволяет создать условия не только для развития растений, но и для охлаждений здании за счет испарения влаги. Однако эта система охлаждения ограничена лишь верхним слоем почвы. Исследования показали, что охлаждающий эффект такой системы для здания с большой тепловой массивностью и хорошей изоляцией минимален.

Таким образом, это решение не позволяет получить сколько-нибудь значительной экономии энергии в заглубленном здании.