АРХИТЕКТУРНАЯ ФОРМА ЗДАНИЯ КАК ФАКТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 728:696(571.56)

doi: 10.48612/dnitii/2024_52_199-207

АРХИТЕКТУРНАЯ ФОРМА ЗДАНИЯ КАК ФАКТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ1

П. С. Семенов

B. А. Сергучева Д. Ф. Федоров

C. И. Мухоплев И. А. Докторов П. Г. Романов

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, г. Якутск

Аннотация

Сотрудниками и магистрантами Инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета проведены тепло-визионные обследования жилых зданий различной архитектурной формы в местности «Орто Дойду» (Срединный мир), в 50 километрах от города Якутска, в составе комплекса ЭкоПаркОтель с целью обоснования энергетической эффективности в зависимости от их архитектурной формы.

Ключевые слова

Архитектурная форма, жилые дома, энергетическая эффективность, климат Якутии.

Дата поступления в редакцию

03.10.2024

Дата принятия к печати

10.10.2024

В современном мире проблемы энерго- и ресурсосбережения выступают на передний план и стоят в числе приоритетных направлений развития науки и техники в РФ. Значительная доля в потреблении энергетических ресурсов принадлежит строительству и эксплуатации зданий и сооружений. В этой связи, проблема энергосбережения во многом зависит от энергетической эффективности зданий. Сегодня широко применяется термин «энергоэффективное здание», который характеризуется тем, что к такому зданию относят строения, совокупность планировочных, конструктивных и инженерных решений которого обеспечивает необходимый потребительский уровень комфортности при наименьших затратах на энергоресурсы [1, 2]. Минимально допустимые комфортные условия внутри помещения обеспечиваются соблюдением нормативных требований тепловой защиты зданий [3]. Любые, даже незначительные, просчеты в принятии конструктивно-технологических решений зданий, а также ошибки, допущенные

1 Материалы доложены на XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых архитектурных специальностей «Архитектура для жизни в экстремальных условиях» 28 марта 2024 года, МГАХИ им. Сурикова, г. Москва.

ш ОС

о

I-

и ш

I-н

X

и

ОЬ <

сь И >5 О

* и

СО ф у

О

а н

о £

а ^

ш ш

е I т

ё а о

£

ЕЗ га

<

ш ш X 3

У

> |_ а к I га

ш с!

и т

■ го

< Ъ

■ а

ш о

■&

ш

о к га

X I

ш а

ш > £

и Ф н

и X

■ а

с <

в процессе монтажа ограждающих конструкций, могут привести к значительным отклонениям фактических параметров тепловой защиты. Особенно это актуально при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений в условиях Севера и Арктики. К числу основных особенностей Крайнего Севера, которые нужно учитывать в инженерной практике, следует отнести не только суровые климатические условия и многолетнемерзлые грунты, но и экономические условия, обусловленные отдаленностью и недостаточной освоенностью территорий. В таких условиях значительно повышается роль выбора конструкционных и теплоизоляционных материалов, а также объемно-планировочных, конструктивно-технологических решений в обеспечении энергетической эффективности зданий, эксплуатируемых в условиях Севера и Арктики [4]. Различные аспекты взаимосвязей градостроительства в условиях Севера и вопросов энергоэффективности рассмотрены комплексно в [5, 6]. Комплексный подход к развитию северных территорий, целью которого является создание здоровой социальной среды для жизни, ориентированной на человека, а не отдельные здания с ограниченным функциональным назначением, приводится в статье [7]. Основная идея данного подхода заключается в том, что архитектурное обустройство помогает человеку адаптироваться к тяжелым климатическим условиям. Среди множества факторов, положительно влияющих на психику человека и помогающих адаптироваться к суровым условия Севера, рекомендуется использовать следующие архитектурные приемы:

• подбор правильных цветовых решений;

• увеличение светопроницаемости зданий;

• использование экологически чистых материалов (например, натуральной древесины);

• применение образной и сомасштабной архитектуры (использование гармоничных форм зданий);

• введение зеленых экопространств (проектирование зимних садов и атриумов внутри здания).

Таким образом, проектирование энергоэффективного здания включает в себя учет комплекса факторов, совокупная реализация которых позволит обеспечить достижение комфортных условий для проживания при наименьших затратах на его эксплуатацию. Основными из них являются:

• затраты на строительные материалы и строительно-монтажные работы (термическое сопротивление конструктивных сочетаний используемых материалов, их эффективное использование, качества строительства в целом);

• затраты на энергообеспечение, энергосбережение, качество и степень автоматизации процессов инженерного обеспечения;

• архитектурная форма и объёмно-планировочное решение здания.

Потери тепла в зданиях и сооружениях происходят в основном через наружные ограждающие конструкции — стены, окна, двери, цокольные и чердачные перекрытия. Поэтому значительная часть затрат на обеспечение тепловой защиты связана с применением эффективных строительных материалов и конструктивных решений наружных ограждающих конструкций. Применение различных систем инженерного обеспечения зданий также сопряжено с определенными затратами как в процессе строительства здания, так и в ходе его эксплуатации. Уровень затрат на обеспечение указанных факторов—использование эффективных наружных ограждающих конструкций и систем инженерного обеспечения зданий —всегда будет зависеть от того, на каком уровне развития находятся соответствующие строительные технологии и системы инженерного обеспечения зданий. Однако, как показывают исследования ряда

авторов, в качестве существенного резерва для повышения энергоэффективности зданий и сооружений может быть рассмотрена архитектурная форма здания в целом и конкретные объемно-планировочные решения. Так, анализ влияния геометрической формы здания на энергетическую эффективность рассмотрен в работе [8]. Результаты исследований на имитационной модели нагрузки на систему климатизации в летний и зимний период с учетом теплопотерь и теплопоступлений через оболочку здания подтвердили, площадь наружных ограждений значительно влияет на величину теплопотерь здания. Оптимальными с этой точки зрения являются здания в форме цилиндра, куба и параллелепипеда. Гипотеза о влиянии геометрической формы здания на его энергоэффективность подтверждается также в работе [9], где делается вывод о том, что наименьшие теплопотери и материалоемкость имеют здания с формой сферы, куба или длинного параллелепипеда с уменьшением изрезанности фасадов. Для узких, длинных или высоких в виде башен зданий свойственны наибольшие удельные тепловые потери. При этом здесь же отмечается, что традиционная прямоугольная форма здания шириной 12 м является менее предпочтительной с точки зрения энергоэффективности.

Таким образом, для уменьшения теплопотерь и обеспечения комфортного температурно-влажност-ного режима внутри помещений, многие авторы предлагают оптимизировать геометрию, т. е. общую форму, здания. От геометрической формы зависят объемы здания и площади поверхности его наружных ограждений, что в свою очередь влияет на показатели энергопотребления и энергоэффективности. Для сравнительной оценки энергоэффективности зданий и выбора их оптимальных габаритов в [10] предлагается использовать коэффициент энергоэффективности, равный отношению полезной площади здания к площади ограждающих конструкций.

Практика проектирования, строительства и эксплуатации зданий и жилых домов в условиях Крайнего Севера, Якутии и в других регионах с экстремальными климатическими условиями показала определённую зависимость эффективности и окупаемости в целом, и энергоэффективности на текущих этапах эксплуатации от принятой архитекторами и реализованной в объектах архитектурной формы.

Данная функциональная зависимость усложняется имеющимися в каждом проектном решении здания, жилого дома принятыми конструктивными формами дверных и тамбурных групп, разнообразием и характеристиками заполнений оконных проемов и остекленных фасадных поверхностей, узлами соединения частей стен, цокольных и чердачных перекрытий. Важное значение имеют характеристики генерации и потребления тепла, систем автоматизации управления тепловыми и вентиляционными режимами эксплуатации.

Допуская определенную сопоставимость объёмов сравниваемых зданий, характеристик термического сопротивления их ограждающих конструкций, эксплуатационных режимов, возможно оценить эксплуатационные затраты, обуславливаемые именно архитектурной формой.

Архитектурная форма — это зрительно воспринимаемый облик сооружения или его части, и в данной статье под этим термином используется внешний облик здания, а именно его объёмная форма [11].

Целью проведенного исследования является обследование, в том числе тепловизионное, трех существующих туристских домиков, для определения влияния архитектурной формы на эксплуатационные затраты. Домики находятся в местности «Орто Дойду» (Срединный мир), в 50 километрах от города Якутска, в составе комплекса ЭкоПаркОтель.

Домики под названиями «Торонто», «Осло» и «Токио» расположены на одной ровной площадке, на открытой местности, на опушке леса, на расстоянии от 50 до 100 друг от друга (рис. 1).

<

>

1-

*

ш

1-

X

а

<

ш

ОС

о

1-

и

ш

1-

м

X

и

ОС

<

а И >5 О

* и

СО ф у

О

а н

о £

а ^

ш ш

е I т

ё а о

£

ЕЗ га

<

ш ш X 3

У

> |_ а к I га

ш с!

и т

■ го

< Ъ

■ а

ш о

■&

ш

о к га

X I

ш а

ш > £

и Ф н

и X

■ а

с <

Архитектурная форма исследуемых зданий отличается друг от друга. Так, форма домика «Торонто» сферическая, «Осло»—шатрообразная (т. н. А-фрейм) и «Токио»—кубическая (квадратная в плане). Первые два дома каркасной (панельной) конструкции, конструкция третьего традиционная, выполненная из бревен. Строительные объемы и площади внешних поверхностей ограждающий конструкций примерно сопоставимы: 179,5/153,86; 147/175; 180/192 (м3/м2) (рис. 2).

Тепловизионные обследования были проведены 16.01.2024 г. при температуре наружного воздуха tH = - 40 °С при безветренной погоде. Следует отметить, что в декабре 2023 года, и в январе 2024 года в г. Якутске морозы достигали - 45 °С, что соответствует многолетним наблюдениям, по данным Якутского гидрометцентра [12, 13]. Температура внутреннего воздуха в помещениях 22 - 24 °С, что соответствует требованиям ГОСТ 30494-2021 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» [14].

Тепловизионные обследования проведены в соответствии с требованиями следующих нормативных документов — ГОСТ 26629-85 «Методы тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» и СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [15, 3].

Для тепловизионного обследования был использован тепловизор японского производства NEC G100 с диапазоном измерений температуры от - 40 °С до + 500 °С. с погрешностью измерения температуры ±2 °С. Дополнительно применялся анемометр Testo 405, предназначенный для измерения скорости потока воздуха, температуры, а также объемного расхода. Средства измерения внесены в Госреестр СИ РФ, поверены и откалиброваны.

Ниже приведены термограммы на наиболее характерных участках обследованных домов различных архитектурных форм. Это узлы стыковых соединений стеновых конструкций, а также остекленного фасада со стенами.

На рисунке 3 представлена верхняя зона 1 этажа здания «Торонто». В области № 1 минимальная температура поверхности составила 24,3 °С, что соответствует температуре помещения. Дефектов в данной термограмме не обнаружено.

Дата Время Температура Температура

наружного внутреннего

воздуха, °С воздуха. °С

16.01 -40 23,3

г 32-2

_ - г

- 29.4

- ге.7

1 - 24.0

- 21.2

__ - 185

- 158

- 13.0

1 ■ - 10.3

№ Области Максимальная Средняя температура Минимальная

температура температура

1 32,1 27.2 24,3

Рис. 3. Термограмма узлового соединения стеновых конструкций, дом «Торонто»

Характерные термограммы домов «Осло» и «Токио» демонстрируют близкие по характеру процессы термического сопротивления и теплопотерь (рис. 4 и 5).

<

>

1-

*

ш

1-

X

а

<

Ш

ОС

О

1-

и

ш

1-

м

X

и

ОС

<

Рис. 4. Термограмма узлового соединения остекленного фасада со стенами, дом «Осло»

а ЕЗ о

* и

СО ш у

О

а н

о £

а ^

ш ш

е I т

ё а о

£

ЕЗ га

<

ш ш X 3

У

> |_ а к I га

ш с!

и т

■ го

< Ъ

■ а

ш о

■&

ш

о к га

X I

ш а

ш > Ё

и ш н

и X

■ а

с <

В здании типа А-фрейм (домик «Осло»), минимальная температура на поверхности узлового соединения остекленного фасада с шатрообразной стеновой конструкцией составляет 18,1 °С, что не ниже температуры точки росы. Такое значение не приводит к конденсации влаги на поверхности стены. В местах примыкания стеклопакета к оконному профилю наблюдается понижение температуры до 12,3 °С, что также не ниже температуры точки росы, однако при этом превышено нормируемое значение перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены в соответствии с требованиями [3].

В домике «Токио» бревенчатой конструкции выявлен «мостик холода» по периметру стыка стеновых конструкций (рис. 5). На участке 1 стыкового соединения зафиксирована отрицательная температура -15,5 °С, что явно не соответствует требованиям [3] как по нормируемому перепаду температур, так и по температуре точки росы. Возможно, что такая ситуация возникла в результате недостаточной проработки конструктивного решения углового соединения стеновых конструкций из бревен.

Рис. 5. Термограмма углового соединения стен, дом «Токио»

Расчетным путем определены удельные теплопотери при заданном условном термическом сопротивлении. Таким образом, получена возможность оценить зависимость обобщенных эксплуатационных характеристик от архитектурной формы исследуемых домов. При заданных коэффициентах теплопроводности X, при усреднении результатов температур на 5 произвольных точках наружных стен каждого дома получены значения тепловых потоков через ограждающие конструкции (табл. 1).

Таблица 1

Вид дома «Торонто» «Осло» «Токио»

Тепловой поток Q, Вт/(м-°С) 373 376 1124

В рассматриваемом случае соотношения значений тепловых потоков должны быть связаны с архитектурной формой здания. Представленные несоответствия показателей обусловлены размерами и термическим сопротивлением имеющегося остекления домов и несовершенствами конструктивных форм узлов теплоизоляции.

В наступающем отопительном сезоне 2024 - 2025 гг. планируется проведение дальнейших циклов натурных наблюдений исследуемых домов с целью определения фактических эксплуатационных затрат. Результаты наблюдений позволят получить данные для оценки степени влияния указанных факторов на точность соотношения между архитектурной формой здания и величиной удельных тепловых потерь.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее эффективной, с точки зрения энергетической эффективности, из трех видов рассмотренных зданий, является здание сферической формы. Наблюдается некоторая зависимость энергоэффективности здания от соотношения строительного объема к общей площади внешних поверхностей ограждающий конструкций.

2. В исследованном здании шатрообразной формы выявлены незначительные теплопотери в местах примыкания стеклопакета к оконному профилю, что может быть связано с применяемым типом уплотняющей прокладки для окон.

3. В исследованном здании традиционной формы бревенчатой конструкции выявлен «мостик холода» по периметру углового стыка стеновых конструкций, где наблюдаются отрицательные значения температуры поверхности до - 15,5 °С. Возможно это связано с недостаточной проработкой конструктивного решения углового соединения стеновых конструкций из бревен.

4. Необходимо проведение дальнейших натурных наблюдений исследуемых домов с целью определения фактических тепловых потерь, которые позволят выявить резервы для повышения энергетической эффективности и разработки конструктивных решений ограждающих конструкций домов, снижающих тепловые потери.

<

>

1-

*

ш

1-

X

а

<

ш

ОС

о

1-

и

ш

1-

м

X

и

ОС

<

Библиографический список

1. Алоян Р. М., Федосов С. В., Опарина Л. А. Энергоэффективные здания—состояние, проблемы и пути решения—Иваново: ПресСто, 2016.—276 с.

2. Слимак И. В. Анализ отечественного и международного опыта проектирования и строительства энергоэффективных зданий / И. В. Слимак, М. П. Диндиенко, Н. В. Сергеева // ВЕСТНИК АлтГТУ. — 2018. № 1. — С. 281 - 286.

3. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

4. Тепловая защита зданий на Севере: материалы, изделия и конструкции: научное издание / А. Е. Местников [и др.]; отв. ред. д. т. н. А. В. Степанов; Якутский гос. ун-т им. М. К. Аммосова. — М.: АСВ, 2009.—236 с.

5. Туралысов, К. Г. Градостроительство в экстремальных условиях Севера [Текст]: (на примере территории Якутии) / Туралысов К. Г.; Российская акад. архитектуры и строит. наук, Акад. наук Республики Саха (Якутия), ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный ун-т им. М. К. Аммосова.—Якутск: Якутский край, 2011.—111 с.

6. Панфилов А. В. Основные принципы проектирования энергоэффективных зданий (архитектурный аспект) / Материалы V Инженерного форума Тюменской области «Энергоэффективность экономики в Тюменской области», г. Тюмень, 2012 г.

а ЕЗ >5 О

* и

СО ф у

О

а н

о £

а ^

ш ш

е I т

ё а о

£

ЕЗ га

<

ш ш X 3

У

> |_ а к I га

ш с!

и т

■ го

< Ъ

■ а

ш о

■&

ш

о к га

X I

ш а

ш > £

и Ф н

и X

■ а

с <

7. Бирюкова М. И. Психологическое восприятие архитектуры арктической зоны российской федерации (АЗРФ) / М. И. Бирюкова, А. А. Тонковская, Д. М. Астанин // Международный научно-исследовательский журнал. — 2021. — № 6 (108). — URL: https://research-journal.org/archive/6-108-2021-june/ psixologicheskoe-vospriyatie-arxitektury-arkticheskoj-zony-rossijskoj-federacii-azrf (дата обращения: 30.09.2024). —doi: 10.23670/IRJ.2021.108.6.067.

8. Филимонова Р. Е., Семенова Э. Е. Влияние геометрии здания на его энергоэффективность // Наука через призму времени.—2019. — № 12 (33).

9. Рубцова М. В., Семенова Э. Е. Учет влияния формы здания на его энергоэффективность // Инженерно-строительный вестник Прикаспия: научно-технический журнал / Астраханский государственный архитектурно-строительный университет. Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ», 2021. — № 2 (36). С. 10 - 15.

10. Абакумова, К. А. Влияние геометрии здания на его энергоэффективность / К. А. Абакумова, В. С. Подковырин // Молодежь и наука: сборник материалов Х Юбилейной Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 80-летию образования Красноярского края [Электронный ресурс]. — Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2014. — Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2014/directions.html, свободный

11. Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР). Актуализирован 01.10.2008.

12. Сайт «World Weather»: Информация о погоде в Якутске на декабрь 2023 года сформирована на основе данных статистики URL: https://world-weather.ru/pogoda/russia/yakutsk/december-2023/ (дата обращения: 10.02.2024).

13. Сайт «World Weather»: Информация о погоде в Якутске на январь 2024 года сформирована на основе данных статистики. https://world-weather.ru/pogoda/russia/yakutsk/january-2024/ (дата обращения: 10.02.2024).

14. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

15. ГОСТ 26629-85 «Методы тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».

ARCHITECTURAL FORM OF A BUILDING AS A FACTOR OF ENERGY EFFICIENCY IN THE CLIMATIC CONDITIONS OF YAKUTIA

P. S. Semenov V. A. Sergucheva D. F. Fedorov S. I. Mukhoplev I. A. Doktorov P. G. Romanov

North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov, Yakutsk

Abstract

Thermal imaging surveys of residential buildings were carried out to substantiate energy efficiency depending on their architectural form.

The Keywords

Architectural form, residential buildings, energy efficiency, climate of Yakutia.

Date of receipt in edition

03.10.2024

Date of acceptance for printing

10.10.2024

Ссылка для цитирования:

П. С. Семенов, В. А. Сергучева, Д. Ф. Федоров, С. И. Мухоплев, И. А. Докторов, П. Г. Романов. Архитектурная форма здания как фактор энергетической эффективности в климатических условиях Якутии. — Системные технологии. — 2024. — № 3 (52). — С. 199 - 207.

<

CL

>

1-

*

ш

1-

S

X

CL

<

ш

ос

э

1-

и

ш

1-

М

X

и

ОС

<

IL ci >s о

s * и

CÛ ш т

О s

{L н

О £

a a

ш ш

е I m

ё а о

t

ci re

<

CÛ ш X 3

У

> |_ IL к s I re

Ш d

и m

■ re

< Z

■ а

CÛ о

■&

ш

О к re

X I

ш а

Z ш >

и ш H

и s X

■ а

с <