Энергосберегающая система отопления, вентиляции кондиционирования воздуха в атриуме

Для снижения влияния климатических условий на помещения периметральной зоны зданий, сокращения затрат топливно-энергетических ресурсов на круглогодовое функционирование системы отопления и вентиляции рационально применение архитектурно-строительных решений по объединению зданий в строительный комплекс.

Рис. 1. Принципиальная схема отопления, вентиляции и кондиционирования в атриуме

Табл. 1. Сравнительные данные атриумов и технико-энергетические показатели

Табл. 2. Технические показатели системы вентиляции, лучистого охлаждения и отопления в атриуме на рис. 1.

Характерным примером такого энергосберегающего строительного комплекса является разработка Моспроектом-4 архитектурно-строительного комплекса зданий медико-оздоровительного центра Медицинской Академии Дентальной имплантации (г. Москва, Рублевское шоссе, вл. 68). В плане размещения четырех корпусов этого центра выполнено так, что почти половина помещений многоэтажных корпусов имеет ориентацию периметральныхзон во внутренний двор площадью 2617 м2. При рассмотрении проекта мэр г. Москвы Ю.М. Лужков предложил перекрыть внутренний двор стеклянной крышей, что образует внутренний атриум в строительном комплексе зданий центра. Перекрытие стеклянной крышей внутреннего двора строительного комплекса создает следующие преимущества:

• образуется значительная дополнительная полезная площадь во внутренней части строительного комплекса, которая может круглый год использоваться для отдыха (зимний сад), проведения культурно-развлекательных мероприятий, занятий физкультурой, размещения торговых точек, раздевалок;
• поступление в дневные часы через остекленные крыши естественного света во внутренний двор и помещения, окна которых расположены на внутреннем фасаде;
• поддержание в атриуме комфортных для людей параметров воздуха значительно снижает влияние наружных климатических условий на формирование теплового режима в помещениях комплекса зданий, обращенных в сторону внутренней зоны;
• возможность применения в помещениях внутренней зоны комплекса зданий наружных стен, окон и дверей с малым термическим сопротивлением по сравнению с требованиями СНиП [1], что удешевит строительство; системы отопления и кондиционирования в этих помещениях могут быть значительно меньшей тепловой и охладительной производительности;
• возможность создания энергосберегающих систем отопления, вентиляции и кондиционирования, обеспечивающих снижение энергозатрат на круглогодичное функционирование зданий строительного комплекса.

По рекомендациям мэра Москвы Ю.М. Лужкова архитекторы института МНИИП Моспроект-4 разработали архитектурно-строительное решение зданий медико-оздоровительного комплекса с перекрытием внутреннего двора наклонной стеклянной крышей, что снижает интенсивность падающей на остекление крыши солнечной радиации и улучшает стекание воды от дождя и при таянии снега. Для придания большего наклона стеклянной крыше она имеет на одной стороне высоту 41 м.

Наружные стены атриума, примыкающие к корпусам зданий выше отметки 25,2 м, что отвечает расположению крыш четырех зданий архитектурного комплекса, также выполненных из стеклянных блоков. Разрез зданий и атриума можно видеть на рис. 1. Наиболее ответственной за поддержание комфортных параметров воздуха является зона пребывания людей, обитаемая зона объема атриума, высоту от пола которой принимаем 3 м.

В теплый период года для снижения поступления теплоты солнечной радиации через наклонное остекление крыши и боковых вертикальных остекленных стен стеклянные блоки выполнены двойными. На наружной части блоков расположено теплопоглощающее стекло, что обеспечивает снижение поступления во внутренний объем атриума проникающей солнечной радиации Qох.пол. = 20 000 × 8 = 360 000 Вт⋅ч = 360 кВт⋅ч.

Остекление крыши атриума имеет площадь Fост.кр. = 2600 м2. Поступление прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в июле составляет для климата Москвы qс.р. = 838 Вт/м2 [2]. Количество теплоты проникающей солнечной радиации через наклонную крышу остекления вычисляется по формуле: Qт.с.р. = Fост.кр. × qс.р. × (1) × bс.з. × К.

Наличие наклона остекления на угол 20° позволяет применить понижающий коэффициент К = 0,9. По формуле (1) получим: Qт.с.р. = 2600 × 838 × 0,22 × 0,9 = 43 1402 Вт⋅ч. После отведения проникающей теплоты солнечной радиации на нагрев воды в системе охлаждающего пола оставшиеся теплоизбытки воспринимаются системой воздушного охлаждения, которая должна иметь холодопроизводительность: Qох.воз. = Qт.с.р. – Qох.пол. = 431 402 – 360 000 = 71 402 Вт⋅ч.

Одновременно в атриуме с продолжительностью до трех часов могут находиться 600 человек. Для обеспечения санитарных норм в зону обитания людей высотой от пола 3 м необходимо подавать наружный приточный воздух. Lпн. = Л × 30 = 600 × 30 = 18 000 м3/ч. В обитаемой зоне высотой 3 м кратность смены приточного наружного воздуха будет: Коб = Lпн/(Fпол × 3) = 18000/(2617 × 3) = 2,3 об/ч.

При кратности приточного наружного воздуха в 2,3 об/ч из обитаемой зоны полностью удаляются запахи и газовые выделения от отделочных материалов и людей. Приточный наружный воздух подается в обитаемую зону, а вытяжка — у остекления под крышей. Тем самым осуществляется схема «вытесняющей вентиляции», при которой температура удаляемого в атмосферу отепленного и загазованного воздуха через регулируемые отверстия под крышей вычисляются по формуле: tу = KL ×(tв – tп) + tп, °C.

Показатель эффективности организации воздухообмена KL зависит от отношения теплоизбытков, остающихся в обитаемой зоне, и общим теплопоступлением [3]. В обитаемой зоне остается часть теплопоступлений от проникающей солнечной радиации 71 402 Вт. В верхнюю часть объема атриума поступает теплота через вертикальное остекление площадью 1635 м2. Вертикальное остекление состоит из трех частей с различной ориентацией по сторонам света: на юг 400 м2; на восток 835 м2; на север 400 м2.

Наибольшая суммарная солнечная радиация на три вертикальных верхних стеклянных стены имеет место с 10 до 11 ч днем и составляет 119 125 Вт. Основная часть этого тепла попадет на стены и окна зданий медико-оздоровительного центра, выходящие во внутренний двор (рис. 1). Эти теплопоступления должны учитываться при расчете мощности СКВ, обслуживающие помещения зданий, выходящих во внутренний двор строительного комплекса.

Охлаждение наружного воздуха, подаваемого в обитаемую зону атриума, ограничивается температурой притока tп не более чем на 6°С ниже температуры tв = 24°С, что определяется комфортностью воздухораспределения по схеме вытесняющей вентиляции: tп = tпн = tв – 6 = 24 – 6 = 18°С. В воздуховодах и приточном вентиляторе охлажденный воздух нагреется на 1,5°С, и тогда температура охлажденного наружного воздуха в приточном агрегате будет: tох.пн. = 18 – 1,5 = 16,5°С.

П ри расчетных параметрах Б в теп лый период года в климате г. Москвы следующие параметры: tп = 28,5°С; Iн = 54 кДж/кг; dн = 10 г/кг. Затраты холода на охлаждение сан нормы приточного наружного воздуха при постоянном влагосодержании dп = dпн = 10 г/кг составляют: Qх.пн. = Lпн ×ρпн × сp × × (tн – tох.пн. )/3,6 = 18 000 × 1,2 × 1,0 × ×(28,5 – 16,5)/3,6 = 72 кВт⋅ч. Общие расчетные затраты холода: Qох.пол. + Qх.п. =360+72=432кВт⋅ч. От 600 человек в обитаемой зоне ат риума в теплый период года выделяется:

• явного тепла: Qт.я.л. = 600 × 64 = 38 400 Вт⋅ч;
• влаги: Wвл.л. = 600 × 115 = 69 000 г/ч.

В приточном агрегате для экономии электроэнергии наружный воздух охлаждается при постоянном влагосодержании, и оцениваем возможность поглощения им влагопоступлений от людей. Требуемая поглотительная способность охлажденного приточного наружного воздуха должна быть: &#8710dас.пн. = Wвл.л. /Lпн ×ρпн = = 69 000/(18 000 × 1,2) = 3,2 г/кг. По формуле (2) при KL = 2,6 [5] вычисляем температуру удаляемого под крышей вытяжного воздуха: tу = 2,6 ×(24 – 18) + 18 = 33,6°С.

Влагосодержание удаляемого воздуха при поглощении им расчетных влаговыделений будет: dу = dпн + &#8710dас.пн. = = 10 + 3,2 = 13,2 г/кг. Построением на l–d-диаграмме получаем, что прямая, соединяющая параметры притока (dпн =10г/кг, tпн = 18°С) и удаляемого воздуха т. У (dу = 13,2 г/кг, tу = 33,6°С), проходит через т. В с tв = 24°С и yв =60%.

Подача в обитаемую зону охлажденного приточного наружного воздуха и вытяжка под остекленной крышей отепленного и влажного удаляемого воздуха обеспечит поглощение следующего количества теплопритоков: Qт.изб.ас.пн. = Lпн ×ρпн × сp × ×(tу – tпн. )/3,6 = 18 000 × 1,21 × ×(33,6 – 18)/3,6 = 93 600 Вт⋅ч. Схема организации воздухообмена и состав СКВ показан на рис. 1.

В обитаемую зону поступает теплота от людей Qт.я.л. =38400Вт⋅ч и вычисленная выше оставшаяся теплота солнечной радиации Qох.воз. =71402Вт⋅ч. Для отведения теплопритоков охлажденный приточный воздух должен располагать следующей расчетной охладительной способностью: Qт.изб.воз. = Qт.я.л. + Qох.воз. = = 38 400 + 71 402 = 109 802 Вт⋅ч. Это практически совпадает с расчетной поглотительной способностью саннормы охлажденного наружного воздуха, вычисленной выше 93 600 Вт⋅ч.

Поэтому дополнительных местных воздухоохладителей в обитаемой зоне атриума не предусматривается. Вытяжку отепленного удаляемого воздуха осуществляем через автоматически открываемые воздушные клапаны в верхней части вертикальных стеклянных стен атриума. В холодный период года трансмиссионные теплопотери будут иметь место через верхнюю остекленную часть и пол атриума. Двойное остекление с наружным теплопоглощающим стеклом имеет термическое сопротивление Rос = 0,6 (м2⋅°С)/Вт.

Трансмиссионные теплопотери через остекление при tн.х. = –28°C и tу.х. = 28°C составляют: Qт.пот.рт. = Fос ×(tу.х. – tн.х. )/Rос = = 4235 ×(28 + 28)/0,6 = = 395 368 Вт⋅ч. Под полом атриума располагается подземный гараж, где зимой поддерживается температура 5°С. Термическое сопротивление пола составляет 3,2 (м2⋅°С)/Вт. Теплопотери через пол составляют: Qт.пот.пол. = 2617 ×(18 – 5)/3,2 = = 10 632 Вт⋅ч. Компенсация этих потерь тепла через остекление и пол осуществляется подачей в змеевик в полу горячей воды.

Требуемая удельная тепловая производительность 1 п.м. змеевика должна быть: Qт.зм. = Qт.пот.пол. + Qт.пот.рт. /λзм. = = 10 632 [Вт⋅ч] + 395 368 [Вт⋅ч]/20 000 = = 20,3 Вт/п.м. Для подведения к полу этого тепла достаточно подавать от работы насоса в змеевик горячую воду с температурным перепадом 40–30°С. Второй составляющей расчетного расхода тепла будут затраты на нагрев приточного наружного воздуха: Qт.пн. = Lпн ×ρпн × сp × ×(tв – tпн)/3,6 = 299 000 Вт⋅ч. В ночные часы, когда приточные агрегаты не работают, для предохранения верхней зоны атриума от охлаждения автоматически включаются местные воздухонагревающие рециркуляционные агрегаты по команде датчиков, контролирующих температуру на внутренней поверхности остекления tост. , которая должна быть выше температуры точки росы внутреннего воздуха в холодный период года tр.х. = 12°C. В дневные часы при tв = 18°С от людей выделяется:

• явного тепла: Qт.я.л. = 600 × 100 = 60 000 Вт⋅ч;
• влаги: Wвл.л. = 6900 × 75 = 45 000 г/ч.

Поднимающееся от людей и от нагрева пола конвективное тепло будет компенсировать теплопотери и поддерживать на внутренней поверхности остекления температуру не менее 15°C. Работа местных воздухонагревателей не требуется. Расход тепла на компенсацию теплопотерь и нагрев приточного наружного воздуха будет: (299 000 + 406 000)× 10–3 = 705 кВт⋅ч. Традиционно СКВ атриумов проектируются для использования воздуха для нагрева и охлаждения внутреннего объема.

Характерным примером традиционных СКВ является построенный в 2002 г. атриум для перекрытия внутреннего пространства реконструированного здания старого Гостиного Двора [4]. На крыше здания установлены четыре прямоточных приточных агрегата производительностью по 60 тыс. м3/ч каждый. Для нагрева или охлаждения внутреннего рециркуляционного воздуха дополнительно применено 44 вентиляционных агрегатов производительностью по воздуху 11 800 м3/ч каждый.

На кровле здания установлены три холодильных агрегата общей холодопроизводительностью 3080 кВт⋅ч. Нагретый зимой или охлажденный летом приточный воздух подается сверху через сопла в обитаемую зону атриума. Вытяжка осуществляется в верхней зоне, т.е. осуществляется схема «смесительной вентиляции». В табл. 1 представлены архитектурностроительные показатели для двух примеров сооружения атриумов и техникоэнергетические расчетные данные для обслуживающих их СКВ.

Для сопоставления энергетической эффективности рассматриваемых двух проектных решений в табл. 1 приведены удельные технико-энергетические показатели, вычисленные по отношению к квадратному метру площади атриумов. По данным табл. 1 можно отметить следующее:

• применение организации воздухообмена по схеме «вытесняющей вентиляции» вместо схемы «смесительной вентиляции» позволило увеличить поглотительную способность приточного наружного воздуха и значительно сократить требуемый приток в зону обитания;
• использование метода охлаждения или нагрева пола жидкостью вместо использования в качестве холодои теплоносителя воздуха позволяет значительно сократить затраты энергии на круглогодовое функционирование СКВ.

В энергосберегающей СКВ медицинского комплекса удается получить следующее снижение удельных энергетических показателей по сравнению с СКВ для здания старого Гостиного Двора [4]:

• расход приточного воздуха снижен в 59,2/6,8 = 8,7 раз;
• расход холода снижен в 242,5/165 = 1,5 раз;
• расход тепла снижен в 386/269 = 1,4 раза;
• расход электроэнергии летом снижен в 130/80,2 = 1,6 раза;
• расход электроэнергии зимой снижен в 61,2/19,1 = 3,2 раза.

Системы вентиляции, лучистого охлаждения и отопления, показанные на рис. 1, имеют технические показатели, которые представлены в табл. 2.

Выводы

Для обеспечения комфортного состояния воздушной среды и температур на внутренней поверхности строительных конструкций наиболее энергетически рациональным является:

• напольное отопление зимой и охлаждение летом с помощью металлопластиковых змеевиков, заложенных в пол для насосной циркуляции по ним нагретой воды зимой и охлажденной воды летом;
• саннорма приточного наружного воздуха подается в обитаемую людьми зону, а вытяжка под потолком через открываемые автоматически фрамуги;
• местные вентиляционные агрегаты для обдува внутренней поверхности остекления в ночные часы холодного периода года работают только тогда, когда не работают приточные агрегаты вентиляции.

Особенности атриумных зданий

Роскошные атриумные здания могут оказаться весьма выгодными, если их строительство опиралось на соответствующие экономические соображения.

Смысл зданий с атриумами

Атриумные здания обращены к разуму и чувствам человека. Они ставят его в центр среды с помощью средств, давно забытых современной архитектурой. Они дают возможность создать много неглубоких пространств по периметру по сравнению со зданиями, в которых образуются глубокие внутренние пространства.

в Виганелло» title=»Экстерьер виллы
в Виганелло» width=»468″ height=»342″ border=»0″/>
Рис. 1. Вилла в Виганелло, арх. М. Ботта.

Экономическая функция атриумов

Здания с атриумами можно строить и эксплуатировать более экономично, чем обычные. В них легче уменьшить потери тепла, создать естественное освещение и использовать солнечную энергию. Это своего рода гигантский вариант двойного остекления. Эффект ограждения становится еще более впечатляющим, когда крыша атриумного пространства обеспечивает не вполне комфортабельные условия интерьера, а служит как бы буферной зоной, посредником между наружным и внутренним пространством.

Функциональное использование атриумов

В зданиях с атриумами обычно главную роль играют помещения, прилегающие к атриуму, а сам он оказывается как бы дополнительным пространством. Будучи использованным для разных нужд, атриум образует своего рода вестибюль и коммуникационное пространство, обеспечивающие доступ ко всем частям здания.

Оранжереи в атриумах

Влияние оранжерей на строительство зданий с атриумами весьма значительно. Комбинация оранжереи и здания проводится в жизнь архитекторами, имеющими опыт ландшафтного проектирования. Все помещения, как правило, открыты в сад, дающий возможность общения с природой в засушливые летние, а также в снежные и холодные зимние месяцы.

Удачный выбор растений и их размещение, яркий свет и насыщенные цветом поверхности превращают скучные пустые пространства в живое сердце здания.

Атриумные здания и проблемы экономии энергии. Идея буфера

Полный экономический эффект буферных пространств достигается при условии, что в них не создаются максимально комфортные условия. Зимой в них, конечно, холоднее, а летом теплее, чем в пространствах с полным кондиционированием воздуха, так как для оптимальных температурных и климатических условий требуются большие затраты.

Во многих зданиях, построенных в последние годы, применяют буферный эффект, или принцип двойного ограждения. Промежуток между стенами используется как вентиляционный канал. В некоторых случаях воздушное пространство атриума летом используется для принудительной циркуляции воздуха. Двойное ограждение максимальный эффект дает с южной стороны, с северной — выгоднее устраивать ландшафтную зону. С экономической стороны оптимален атриум — куб (минимальная площадь поверхности). Летний перегрев можно устранить использованием теневых тентов, встроенных в крышу и южную стену, и устройством вентиляции.

Дневное освещение в атриумах

Рост цен на электроэнергию делает актуальным вопрос о естественном освещении зданий. Здания, освещенные только из внутренних дворов, требуют низких затрат энергии на отопление и освещение.

Жилой дом с атриумом становится все более популярным. Небольшой внутренний дворик, патио, издавна ценился за сочетание таких свойств, как хорошая проветриваемость, инсоляция и изолированность. Двор, окруженный застройкой, повышает уровень использования солнечной энергии и приводит к экономии жилой площади.