«Стеклянный дом» с пассивным использованием тепла солнечной радиации

Н. В. Шилкин, инженер

Одно из первых зданий с большой площадью наружного остекления было построено в Испании еще в 1830 году. Фасад этого здания был сделан из дерева и стекла. В 1920-х годах появились первые здания с ограждающими конструкциями, полностью выполненными из стекла. Одним из первых здания с светопрозрачными ненесущими ограждающими конструкциями стал создавать известный архитектор Ле Корбюзье (Charles Edouard Jeanneret, Le Corbusier, 1887–1965).

Наряду с достоинствами подобные здания имеют и ряд недостатков. Главной проблемой при строительстве таких зданий является риск неприемлемо высоких температур в помещениях в летнее время. В жилых зданиях, у жителей, находящихся за прозрачными стенами, может возникнуть чувство «незащищенности» и связанный с этим психологический дискомфорт.

В последние годы в связи с появлением новых светопрозрачных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками в мире снова возник интерес к строительству подобных зданий. Большое внимание таким зданиям уделяется, например, в Финляндии. В Хельсинки построен целый ряд подобных домов. Интересным примером энергоэффективного и экологического строительства является информационный центр «KORONA» в VIIKKI* – университетском районе Хельсинки. В этом здании располагаются научная библиотека Хельсинского университета и филиал библиотеки Хельсинки, а также администрация факультетов и другие вспомогательные университетские службы, помещения для преподавания и проведения лекций. Здание информационного центра имеет двойную стену, причем внешний слой выполнен из светопрозрачных элементов. В пространстве между стенами располагаются сады. Воздух для системы кондиционирования забирается из различных зон этого пространства – в зависимости от требований параметров приточного воздуха в разное время суток и в разные времена года.

По периметру двойной стены расположены три зимних сада: Египетский, Римский и Японский бамбуковый. Эти сады являются местом для отдыха, открытым для всех посетителей здания информационного центра

Один из вариантов экспериментального жилого здания с большой площадью светопрозрачных ограждающих конструкций был реализован в Дании. В Эгебьергерде (Egebjerggеrd), к западу от Копенгагена, датской некоммерческой ассоциацией домостроителей «Ballerup Ejendomsselskab» был построен одноквартирный «Стеклянный дом». Этот проект представляет определенный интерес для российских специалистов, поскольку климат Дании хотя и мягче, но сопоставим с климатическими условиями европейской части нашей страны.

«Стеклянные дома» в Хельсинки	Информационный центр «KORONA»

Описание здания

Здание «Стеклянного дома» было построено в 1996 году к проводимой Датским научно-исследовательским строительным институтом (Danish Building Research Institute, SBI) выставке «Energy-aware housing – a window on the future». В течение месяца, с 24 мая до 23 июня 1996 года, здание экспонировалось на выставке, затем двенадцать месяцев в нем проживала семья, после чего «Стеклянный дом» стал использоваться как общественный центр нового жилого комплекса. «Стеклянный дом» представляет собой двухэтажное здание общей площадью 205 м².

Проект здания был выполнен архитекторами Боем Лундгаардом (Boye Lundgaard) и Лин Трандберг (Lene Trandberg) и базировался на исследованиях, проводимых SBI. Целью проекта являлась экспериментальная оценка влияния светопрозрачных и полупрозрачных наружных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками на энергопотребление, естественную освещенность и микроклимат помещений «Стеклянного дома».

Наружные ограждающие конструкции «Стеклянного дома»

Наружные ограждающие конструкции здания практически целиком выполнены из прозрачного и полупрозрачного стекла с повышенными теплозащитными характеристиками. В центральной части здания расположены кухня, ванная комната и туалет. Стены вокруг центральной части, плиты покрытия и межэтажного перекрытия, а также колонны, поддерживающие покрытие над двухэтажным атриумом, выполнены из монолитного железобетона.

Общая площадь остекления «Стеклянного дома» составляет 216 м², при этом площади прозрачного и полупрозрачного остекления примерно равны. Коэффициент остекления составляет 95 % для фиксированных прозрачных и полупрозрачных панелей и 45 % для окон. Большая площадь остекления позволяет использовать тепло солнечной радиации для обогрева внутренних помещений и естественное освещение, в результате чего уменьшаются затраты энергии на климатизацию и освещение здания.

Светопрозрачные ограждающие конструкции выполнены с тройным остеклением и заполнены криптоном. Из-за большой массы стеклянных элементов в конструкции дверей используется двойное остекление. Коэффициент теплопропускания составляет 0,50 для ограждающих конструкций с тройным остеклением, 0,70 для ограждающих конструкций с двойным остеклением и 0,40 для полупрозрачных ограждающих конструкций. Коэффициент светопропускания для ограждающих конструкций с тройным остеклением составляет 0,65, для ограждающих конструкций с двойным остеклением – 0,80, а для полупрозрачных ограждающих конструкций – 0,55.

По соображениям безопасности внутренние стекла многослойны. Для рассеивания яркого солнечного света используется матовая пленка, нанесенная на участки с прозрачным остеклением.

Для снижения теплопоступлений от солнечной радиации в летнее время используются солнцезащитные устройства в виде легких, но плотных тканевых роликовых штор, расположенных на внутренней стороне светопрозрачных ограждающих конструкций.

Оконные рамы и переплеты выполнены из древесины лауаны (Lauan), отличающейся высокой прочностью и долговечностью. Высокая прочность древесины позволила сделать рамы и оконные переплеты узкими, что увеличило инсоляцию помещений и улучшило внешний вид здания. Кроме этого, узкие рамы и оконные переплеты повышают теплозащитные характеристики ограждающих конструкций. Сопротивление теплопередаче стеклянного фасада составляет в среднем 1,0 м²•°C/Вт.

Система климатизации здания

Вентиляция

Поскольку создателями дома изначально предусматривалась возможность его использования в качестве общественного центра, то на кухне, в ванной комнате и в туалете была запроектирована система механической вентиляции. Вентиляция жилых помещений здания естественная, с организацией притока через три зенитных фонаря, через окна в верхней части здания и дверные проемы с применением системы автоматизации. При превышении в помещениях заданной температуры два зенитных фонаря и половина окон открываются автоматически для естественного проветривания. Жители дома также могут проветривать помещения, открывая окна или наружные двери.

Одна из главных проблем, возникших при проектировании «Стеклянного дома», – риск неприемлемо высоких температур в помещениях в солнечные летние дни. Проектировщики рассчитали тепловой баланс внутреннего воздуха в летний период при помощи программного пакета «tsbi3», разработанного в SBI. В летний период температура в помещениях достигает максимума после 12 часов дня. При открывании наружных дверей увеличивается уровень естественной вентиляции, что позволяет очень быстро понизить температуру помещений до приемлемой величины.

Отопление

В здании запроектирована система водяного отопления. На первом этаже в качестве отопительных приборов используются конвекторы, расположенные по периметру всего фасада, что уменьшает вероятность возникновения потоков холодного воздуха в нижней части помещений от относительно холодных наружных ограждающих конструкций. На втором этаже в качестве отопительных приборов используются обычные радиаторы, размещенные на бетонной стене городских тепловых сетей.

Экспериментальная проверка результатов реализации проекта

В период эксплуатации «Стеклянного дома» велись измерения потребляемой тепловой энергии, электрической энергии и воды, а также температуры помещений, кратности воздухообмена в помещениях и освещенности помещений.

По расчетам проектировщиков, удельные среднегодовые затраты тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение здания составляют 39 кВт•ч/м² (число градусо-суток отопительного периода – 3 000). По датским строительным нормам (Danish Building Regulations BR 95) в зданиях такого типа максимально допустимые затраты тепловой энергии составляют 62 кВт•ч/м². Среднегодовые затраты тепловой энергии на отопление оценивались в 11 МВт•ч, в т. ч. 3 МВт•ч на горячее водоснабжение (ГВС). Однако фактические затраты тепловой энергии, измеренные в отопительный период с сентября 1997 года по апрель 1998 года, оказались выше ожидаемых на 67 % и составили 19 100 кВт•ч. Это произошло из-за расхождений между расчетными и реальными параметрами наружного климата, а также более низкими, чем ожидалось, теплозащитными характеристиками ограждающих конструкций.

В отопительный период средние удельные теплопоступления от солнечной радиации через ограждающие конструкции практически равны средним удельным теплопотерям через ограждающие конструкции. Создатели здания подсчитали, что в климатических условиях Дании для фасадов южной, западной и восточной ориентации отношение удельных теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период к удельным теплопотерям через светопрозрачные ограждающие конструкции делает применение таких ограждающих конструкций более выгодным, чем использование непрозрачных ограждающих конструкций с сопротивлением теплопередаче ниже 3,3 м²•°C/Вт. Значительные теплопотери через ограждающие конструкции северной ориентации частично компенсируются снижением потребления электрической энергии на освещение за счет использования естественного освещения.

Эффективность вентиляции и солнцезащиты «Стеклянного дома» оценивалась в летний период, когда риск неприемлемо высоких температур в помещениях был особенно велик. В период наблюдений здание не эксплуатировалось, и для естественного проветривания использовалось только автоматическое открывание окон и зенитных фонарей (наружные двери не открывались). Измерение температуры воздуха проводилось в помещении гостиной.

В первый период наблюдений продолжительностью две недели не использовались солнцезащитные устройства. При этом средняя температура воздуха в помещении гостиной превышала температуру наружного воздуха на 5,2 °C. Максимальное превышение температуры воздуха в помещении над температурой наружного воздуха было зафиксировано в 12 часов дня и составило 7,2 °C.

Во второй период наблюдений солнцезащитные устройства использовались. Этот период также составил две недели. Средняя температура воздуха в помещении гостиной превышала температуру наружного воздуха на 2,8 °C, а в 12 часов дня температура воздуха в помещениях превышала температуру наружного воздуха на 4,6 °C. Относительно низкая разность температур свидетельствует о высокой эффективности естественной вентиляции через автоматически открываемые окна и зенитные фонари при использовании солнцезащитных устройств.

Рисунок 3. (подробнее) Тепловой баланс «Стеклянного дома» в отопительный период с октября 1997 года по апрель 1998 года

Субъективная оценка комфортности проживания в «Стеклянном доме»

Кроме объективной оценки качества микроклимата помещений оценивалось и субъективное восприятие условий жизни в «Стеклянном доме»: визуальный комфорт, восприятие естественной освещенности и т. д.

По отзывам членов семьи, проживавших в данном здании, наиболее важным преимуществом «Стеклянного дома» стала высокая естественная освещенность помещений. Однако в солнечные летние дни очень яркий свет вызывал дискомфорт, заставляя жителей носить в доме солнечные очки. В пасмурные дни наиболее выгодным оказалось использование полупрозрачных окон. Кроме этого, использование полупрозрачных ограждающих конструкций вместо светопрозрачных позволяет повысить чувство защищенности и увеличить психологический комфорт людей, находящихся в здании. По этой же причине подобные дома следует располагать в частных садах.

В ряде случаев, чаще всего в послеполуденное время, температура помещений «Солнечного дома» под действием тепла солнечной радиации достигала очень больших величин, однако естественное проветривание за счет открывания окон, зенитных фонарей и дверей позволяло очень быстро понизить температуру воздуха в помещениях до температуры наружного воздуха.

Заключение

«Стеклянный дом» с пассивным использованием тепла солнечной радиации не является прототипом одноквартирных жилых домов будущего, однако опыт его проектирования и эксплуатации может оказаться полезным при проектировании энергоэффективных зданий в регионах с холодным климатом. Опыт проектирования и эксплуатации «Стеклянного дома» использовался при создании многоэтажного многоквартирного жилого дома с высокоэффективными светопрозрачными ограждающими конструкциями, построенного в Дании теми же архитекторами.