Беляев - Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий

В книге рассматриваются вопросы рационального использовании и  сохранении энергии в жилых и общественных зданиях дли города и сельской  местности. Приводится новые и усовершенствованные традиционные конструктивные решении, в том числе отопительно-вентиляционные системы. Дана  классификации типов гражданских зданий с солнечным энергосбережением. Приведены объемно-планировочные и региональные особенности энергоэкономичных и  энергоактивных гражданских зданий, рациональные типы зданий, аккумулирующих энергию солнца, ветра и др. Использован отечественный и зарубежный опыт проектировании и строительства энергоэкономичных и энергоактивных зданий.

Может быть также использована инженерно-техническими работниками,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дли роста социально-экономического развитии нашей страны в ближайшие годы предусматривается обеспечение повышении уровни капитального строительства, внедрении новых форм конструктивно-планировочных элементов, обеспечивающих тепловую эффективность зданий массового строительства. В связи с этим предусматривается осуществление энергоснабжении жилых и  общественных зданий с использованием нетрадиционных источников природной энергии.

Книга посвящена актуальной теме рационального использовании и сохранении энергии в жилых и общественных зданиях городского и сельского типа, В ней приводится новые и усовершенствованные традиционные решении и системы. Учитываются и оцениваются факторы, влияющие на экономику  энергоснабжении. Рекомендуются рациональные типы зданий, аккумулирующих энергию солнца, ветра и других нетрадиционных источников энергии.

Рассматриваются архитектурно-художественные возможности энергоактивных солнечных зданий и их комплексов, определяющих новое направление создании «гелиоархитектуры».

Предполагается, что студенты уже изучили основы курсов архитектуры гражданских зданий, строительных конструкций и строительной механики. В конце глав приводится вопросы, по которым студенты могут проверить, насколько хорошо они усвоили материал.

Предисловие и введение написаны совместно канд. техн. наук В. С.  Беляевым и канд. архит. Л. П. Хохловой, раздел первый (главы 1, 2, 3, приложении 1, 3, 4, 5 — В. С. Беляевым, раздел второй (главы 4, 5, 6, 7, прилож. 2 — Л. П.  Хохловой.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам кафедры архитектурной физики (зав. кафедрой проф. Н. В. Оболенский), канд. техн. наук Ю. А. Матросову (зав. лабораторией теплофизики НИИСФ), сотрудникам  кафедры архитектуры ВЗИСИ (зав. кафедрой проф. Н. Н. Миловидов) за ценные замечании, сделанные при рецензировании книги.

Предложении, направленные на улучшение книги, просьба присылать в адрес издательства «Высшая школа».

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышении тепловой эффективности зданий и  экономии топливно-энергетических ресурсов в гражданских зданиях является актуальной, но сложной как в нашей стране, так и за рубежом. Представляя по своей сути в большей степени проблему социальную, чем научно-техническую, она и решается по-разному в различных странах.

В настоящее время около 40% всего добываемого в нашей стране топлива расходуется на теплоснабжение зданий, при этом уровень расхода энергии в новых зданиях увеличивается, так же как и рост себестоимости добычи, выработки и транспортировки традиционного природного топлива (угли, нефти, газа), запасы которого постепенно истощаются во всем мире.

В большинстве стран мира разработаны национальные  энергетические программы и созданы специальные административные органы дли активного проведении их в жизнь. В рамках системы ООН международным сотрудничеством в области энергетики  занимаются такие организации, как Европейская экономическая комиссии (ЕЭК ООН), Организации по вопросам образовании, науки и культуры (ЮНЕСКО) и др.

За счет экономии энергии намечено к 2000 г. удовлетворить 75...80% прироста потребностей в энергетических ресурсах.  Энергоэффективность проектных решений в нашей стране оценивается по степени их соответствии нормативным удельным показателям расхода тепла на единицу общей площади жилых и общественных зданий.

Энергосбережение в зданиях при решении практических задач сокращении общего расхода невозобновляемых энергоресурсов (угли, газа, нефти и др.) реализуется путем применении  эффективных теплоизоляционных материалов, энергоэкономичных  конструкций наружных стен, существенного увеличении теплозащиты эксплуатируемого фонда и т. п.

Энергетической программой на основе научно-технического прогресса во всех звеньях народного хозяйства предусмотрено  создание технической и материальной базы дли широкого использовании таких нетрадиционных источников энергии, как солнечной,  ветровой, геотермальной и биомассы.

В нашей стране значительное снижение расхода органического топлива и уменьшение загрязнении окружающей среды  обеспечивается преимущественным применением возобновляемых  источников энергии. Согласно классификации ООН к новым и  возобновляемым источникам энергии относятся в основном: энергия солнца, ветра, биомассы различного происхождении, приливов и отливов, разности теплового градиента верхних и нижних слоев воды в  океанах, а также геотермальная и гидравлическая энергии. 

Существенную экономию тепла можно получить в случае применении  различных конструктивных решений и систем, позволяющих утилизировать тепло, теряемое зданиями в отопительный период. В строительной практике применяются как специальные вентиляционные  устройства, утилизирующие уходящее через наружные ограждении тепло, так и утилизаторы-теплообменники, использующие уходящее с  вентиляционным воздухом тепло.

Здание как энергетическая система формирует тепловой и  воздушный режим (ТВР) помещений. При этом системы отоплении и вентиляции наряду с наружными ограждениями играют  решающую роль. Оптимизации ТВР должна иметь целью как экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), так и обеспечение  требуемых санитарно-гигиенических условий. Последние зависит как от эффективности работы систем вентиляции, так и от  загрязненности атмосферы. Поэтому экологически чистым источникам  энергии в будущем должен быть отдан приоритет.

В настоящее время в нашей стране создается нормативная и  организационная основа дли широкого применении солнечной энергии в народном хозяйстве. Разработаны нормы проектировании жилых и общественных зданий с солнечными пассивными системами  отоплении, а также пособие к ведомственным строительным нормам вен «Установка солнечного горячего водоснабжении»,  нормативные документы на проектирование и приемку в эксплуатацию  зданий с системами солнечного отоплении и горячего водоснабжении.

Создаются специализированные организации по монтажу солнечных установок теплоснабжении. Действующими объектами солнечного отоплении и горячего  водоснабжении являются жилые дома в поселках Армянской ССР, Одесской обл., Московской обл.. Якутской ССР, Закавказья,  Средней Азии и др.

Разработано свыше 200 проектов, из них 16 типовых и  повторного применении энергоактивных гражданских здании. Начато промышленное производство солнечных коллекторов, освоена гелиотехнология при изготовлении железобетонных изделий.

Начат серийный выпуск ветроэнергетических агрегатов. Геотермальная энергии используется дли теплоснабжении и  производства электроэнергии. Так, горячим водоснабжением на базе геотермальных вод обслуживается население Грузинской ССР,  Дагестанской АССР, Чечено-Ингушской АССР, где имеются горячие источники.

Перспективным источником энергии является энергии,  получаемая при переработке биомассы, к которой относится различные  виды растительности, отходы сельскохозяйственного производства, животноводства, птицеводства, промышленные отходы, жидкие стоки и твердые отходы городов и др. Использование биомассы кроме получении энергии обеспечивает понижение содержании  углекислого газа в атмосфере, а переработка отходов способствует улучшению состоянии окружающей среды.

За последние годы в нашей стране построено и  эксплуатируется восемь мусоросжигательных заводов. Находится в  эксплуатации 15 теплонаносных установок различной теплопроизводительности; утилизируется тепло вентиляционных сбросов общественных зданий.

Таким образом использование вторичных источников энергии открывает большие перспективы в проектировании  энергоэкономичных и энергоактивных зданий. Велики их резервы в области  автоматизации систем теплоснабжении, применении источников света, сокращении энергоемкости системы кондиционировании воздуха, архитектурно-планировочных и конструктивных решений,  повышении энергоэффективности существующих гражданских зданий и т. п.

Однако в настоящее время уровень работ по осуществлению  задач по экономии теплоэнергетических ресурсов не соответствует энергетической ситуации в нашей стране. В связи с этим данное учебное пособие несомненно поможет студентам овладеть  основными принципами проектировании энергоэкономичных и  энергоактивных гражданских зданий, которые направлены на решение задач по повышению энергетической эффективности народного хозяйства.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ ЗДАНИЯ

ГЛАВА 1

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ ЗДАНИЯ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА

В главе излагаются основы проектировании и теплового  расчета зданий с утилизацией тепла, включая использование тепла, уходящего с вытяжным воздухом и через наружные ограждения. Даны технические решения и схемы  конструкций таких зданий, а также с воздушно-лучистой системой отопления.

1.1. Воздушно-лучистое отопление

Еще до нашей эры люди использовали дли обогрева помещений нагретые поверхности. Так, в X в. до н. э. на Дальнем Востоке  существовало государство Джурмения, где помещении обогревались поверхностью каналов, через которые пропускались дымовые газы. В начале нашей эры в Древнем Риме и других странах получила распространение заимствованная у греков аналогичная система огневоздушного отоплении, которая называлась «гипркауст» (от греч. «снизу согретый). Такая система широко применилась при  отоплении бань. Дли этого в здании устраивалось подполье, перекрытое плитами, опирающимися на кирпичные столбики. В подполье по газоходу поступали дымовые газы из очага, находящегося, как правило, вне здании. Эти системы можно назвать лучистыми. 

Тепло отдается окружающему воздуху конвекцией и окружающим его ограждениям излучением. Такой режим тепловой отдачи является вполне благоприятным дли человека. Это объясняется тем, что  человек на заре своего существовании находился преимущественно на открытом воздухе и поэтому биологически привык к такому  способу теплообмена с окружающей средой. Следовательно, чтобы улучшить самочувствие человека, надо увеличить теплоотдачу  конвекцией и уменьшить ее окружающим ограждениям.

За рубежом дома с воздушно-лучистой системой отоплении  распространены в США, Финляндии, Швеции и других странах.

В США система лучистого отоплении с теплоносителем воздухом начала применяться в конце 40-х годов, главным образом в малоэтажном строительстве. В многоэтажных зданиях системы  лучистого отоплении осуществляются с теплоносителем водой. Во Франции применяются междуэтажные плиты перекрытий (размером на  комнату), при изготовлении которых вместе с арматурным каркасом закладываются змеевики лучистого отоплении из стальных труб диаметром 15/21 мм. В нашей стране такие плиты изготовляют на двух заводах — в Баку и Ташкенте.

За рубежом применяются системы лучистого отоплении и с  медными трубами, что резко увеличивает их долговечность и  надежность.

В жилых и общественных зданиях широко используются также обогреваемые полы с электрокабелем. Напольное отопление с  теплоносителем водой и электрокабелями применяется в зданиях большого объема.

В последние десятилетия в Швеции используются многопустотные плиты перекрытий (с некоторой модификацией) дли систем воздушного потолочно-напольного отоплении с выпуском зимой  воздуха в помещении дли целей вентиляции. В летнее время в  помещении подается специально подготовленный воздух. Эти системы применяют дли зданий различного назначении: промышленные,  административные (одно- и многоэтажные), школы, больницы, жилые здании, магазины и др.

Системы лучистого отоплении с теплоносителем воздухом  разрабатываются в Советском Союзе с 1931 г. Напольные системы  отоплении с теплоносителем водой с пропуском через змеевики, замоноличенные в толщу пола, начали осуществляться в нашей стране с 1952 г. на объектах Аэрофлота, а позднее и в помещениях  общественных зданий. Напольные системы отоплении с теплоносителем воздухом осуществлены в помещении ангара аэропорта Быково и в Киеве в помещениях аэровокзала и т. д.

Дли изготовлении змеевиков применяются стальные бесшовные трубы диаметром 15, 20, 25 и 30 мм.

В нашей стране системы лучистого отоплении с теплоносителем воздухом применяется в многоэтажном строительстве, где широко используются многопустотные плиты перекрытий.