Системы солнечного горячего водоснабжения, как элемент экологического жилища, их интеграция в объемно-планировочные и конструктивные решения зданий

Основная задача жилища — создание наиболее благоприятной среды обитания для человека, отвечающей всем его потребностям. При этом потребности человека рассматриваются как интегральная совокупность многих факторов, необходимых не только для поддержания жизнедеятельности организма, но и развития человеческой личности, динамически изменяющейся во времени с развитием цивилизации. Вот что пишет в своей работе [1] Этенко В. П.: «Уже сегодня ясно, что резко расширяется социальный смысл комфорта жилища, в этом понятии все более прочные позиции занимает сложный комплекс требований, вытекающих не только из биологических потребностей семьи, но и из всей совокупности форм ее жизнедеятельности, нравственных интересов, укрепления здоровья с гармоническим развитием человека».

Следовательно, жилье, которое удовлетворяло людей несколько десятилетий назад, не подходит современному человеку с его возросшими потребностями. Подобную точку зрения высказывают и другие авторы в своих работах [2,3,4,5,6,7,8].

Объективным фактором для создания нового подхода к проектированию жилья является невиданный ранее темп индустриализации и урбанизации, поставивший человека в совершенно иные условия, отличные от тех, в которых проходила его эволюция. Многие исследования современной медицины [8,9,10,11] свидетельствуют, что человеческий организм не может за столь короткое, по сравнению с периодом эволюции, время адаптироваться к новым условиям существования и выработать защитные механизмы на новые вредные воздействия. «Только статистические данные свидетельствуют о том, что, несмотря на развитие медицины, открытие многих препаратов и создание сети медицинских учреждений, здоровье населения всей нашей планеты, особенно городской ее части, резко ухудшилось за последние полстолетия» [9]. Если учесть, что обычный человек в среднем проводит 40−50% всего времени в своей квартире, а дети и пожилые люди до 65−90% [11], то можно легко оценить влияние микроклимата жилища на здоровье населения.

До настоящего времени при проектировании жилища учитывались лишь непосредственные, ощутимые воздействия на человека, такие как тепло, влажность, свет, инсоляция, шум и некоторые другие. Эти воздействия, в основном, рассматривались отдельно друг от друга без их комплексной оценки. Несмотря на то, что наука доказала наличие и других патогенных факторов, влияющих на человека в его жилище, они еще не нашли достаточного отражения в строительных нормах. Между тем, медицинские исследования показывают, что на здоровье человека более сильное влияние оказывают относительно незначительные, но длительно воздействующие негативные факторы, чем достигающие экстремального уровня краткосрочные воздействия.

Из всего вышесказанного напрашивается вывод, что настала необходимость пересмотра всего процесса проектирования и строительства жилья. Диалектической закономерностью является переход к проектированию экологического жилища, где приоритеты отдаются не только тому, как быстрее и дешевле построить, а как построить так, чтобы микроклимат жилых помещений был наиболее приближен к условиям, дающим возможность для здорового развития человека в гармонии с окружающим миром. Эту идею высказывают многие отечественные и зарубежные ученые [7,8,10,12,13,14,15,16,17].

Необходимость создания экологического жилища диктуется и рыночным спросом на него, так как все больше людей, по мере своих возможностей, хотят жить в экологически чистых домах.

Экологическое жилище становиться не роскошью для обыкновенного человека, а насущной необходимостью, обеспечивающей ему нормальную жизнедеятельность и здоровье.

Разумеется, невозможно полностью защитить человека от действия всех вредных факторов, используя только «чистые», с экологической точки зрения, технологии, строительные материалы, или отдаляя здания от неблагоприятных мест. Современные условия развития человечества диктуют свои требования. Жилищная нужда заставляет закрывать глаза на многие проблемы комфорта и экологии жилища и одновременно накладывает на проектировщика огромную ответственность по выбору оптимального варианта жилой среды, с учетом комплексной оценки всех негативных факторов. Особое значение приобретают инженерные и архитектурные решения, снижающие влияние неблагоприятных воздействий. Такие решения требуют детального изучения всего комплекса проблем строительной экологии, относящихся к области физики, психологии, биологии, социологии и медицины, и доступны только большим коллективам ученых различных специальностей.

Однако логично предположить, что существуют и частные задачи, которые вполне решаемы на базе строительной специальности. Одним из таких факторов является проблема загрязнения воздушной среды при использовании традиционных источников энергии для отопления и горячего водоснабжения. Замена традиционных видов топлива на экологически чистые позволит не только решить вопросы экологии, но и справиться с другой глобальной проблемой конца XX века — истощением традиционных источников энергии.

Особенно перспективным заменителем традиционных источников на сегодня является солнечная радиация. В настоящее время около 70 стран мира приняли национальные программы по развитию ге-лиоэнергетики [18], накоплен значительный опыт использования солнечной энергии.

Несмотря на то, что во многих странах успешно развивается гелиотехника, в России практически прекращены исследования в этой области. По многим зарубежным прогнозам [18] энергия солнца станет одним из важнейших источников энергии в следующем столетии. Для России важно опять не оказаться в последних рядах, притом, что с 30-х по начало 80-х годов в нашей стране проводились серьезные исследования по использованию солнечной энергии. Было создано и реально эксплуатировалось большое количество гелиоустановок как в южных республиках бывшего СССР, так и в центральных районах России, Сибири.

Цель работы: формулировка задач проектирования экологического жилища и решение одной из таких задач — уменьшение загрязнения воздушной среды путем использования систем солнечного горячего водоснабжения. Интеграция таких систем в объемно-планировочные и конструктивные решения зданий.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• анализ и классификация факторов, влияющих на экологию жилища, формулировка задач проектирования «экологического жилища»;

• выявление одного из этих факторов, особо актуального в настоящее время, такого как загрязнение воздушной среды, конкретное решение которого строительными методами доступно на базе достижений современной науки, и возможность снижения его воздействия за счет применения солнечной энергии для горячего водоснабжения;

• анализ опыта применения солнечной энергии для горячего водоснабжения;

• составление базы данных для расчета систем солнечного горячего водоснабжения на основе имеющихся исследований и климатических наблюдений;

• создание программы для ЭВМ для расчета требуемого количества тепла на нагрев горячей воды и получаемого количества тепла с заданной площади коллектора для различных климатических районов России;

• анализ влияния угла наклона плоскости солнечного коллектора относительно горизонта (а) и отклонение его плоскости от южного азимута ((3) для различных районов России на производительность гелиосистемы;

• оценка территории России по значениям суммарного количества теплоты, получаемого в год с 1 м², и необходимой площади солнечного коллектора на одного пользователя;

• разработка рекомендаций по проектированию малоэтажных жилых зданий с системами солнечного горячего водоснабжения и сопряжение таких систем с элементами строительных конструкций.

Научная новизна выполненной работы заключается:

1) в обобщении и классификации всех факторов, влияющих на экологию жилища;

2) в определении значений оптимального угла наклона солнечного коллектора относительно горизонта (а) и отклонения его плоскости от южного азимута ((3) для различных районов и климатических зон России;

3) в оценке территории России по значениям суммарного количества тепла, получаемого в год с 1 м², и по требуемой площади солнечного коллектора на одного пользователя, и в выявлении районов, где такие системы дают наибольший эффект;

4) в анализе возможности и экономической эффективности применения современных (высокоэффективных) гелиосистем в условиях России.

Практическая ценность работы заключается:

1) в анализе и классификации всех факторов, влияющих на экологию жилища, которые могут быть использованы для обучения студентов, а также в дальнейшей научной работе;

2) в создании программы «Гелио», которая позволяет определить требуемое количество тепла на нагрев воды до заданной температуры и полученное с солнечного коллектора количество тепла по месяцам в течение года для различных регионов России. Данная программа используется для практической работы со студентами на кафедре «Отопление и вентиляция»;

3) в районировании территории России по оптимальным углам наклона солнечного коллектора определенного типа относительно горизонта (а) и отклонения его плоскости относительно южного азимута (Р);

4) в создании основных положений методики проектирования малоэтажных жилых зданий с современными системами солнечного горячего водоснабжения и в разработанных рекомендациях по сопряжению таких систем с элементами строительных конструкций.

Предмет защиты: формулировка задач проектирования «экологического жилища». Основные положения методики проектирования малоэтажных жилых зданий с современными системами солнечного горячего водоснабжения и их сопряжение с элементами строительных конструкций. Результаты анализа эффективности применения таких систем на территории России.

Основные выводы.

1. Определены основные задачи проектирования «экологического жилища», на основании которых определен термин «экологическое жилище».

2. Проведена классификация факторов, влияющих на экологию жилища. Выделена актуальная задача, решение которой возможно на основе достижений современной науки и техники — улучшение состояния воздушной среды за счёт использования экологически чистых источников энергии.

3. Анализ мирового и отечественного опыта применения солнечной энергии показал, что ее использование целесообразно в климатических условиях России. Учитывая экологическую обстановку пригородных зон больших городов и проблему обеспечения жилья горячей водой во многих районах России, особенно в летний период, целесообразно использовать энергию Солнца, в первую очередь, для горячего водоснабжения.

4. Для расчета систем солнечного горячего водоснабжения предложено использовать данные по актинометрическим наблюдениям в период 30 и более лет, приведенные в «Справочнике по климату СССР» и экстраполированные по часам представительских суток (такое интерполирование проведено в работе для 14 наиболее характерных городов РФ), а также учитывать коэффициент затенения плоскости солнечного коллектора.

4. Разработана программа «Гелио», которая позволяет рассчитать требуемое количество теплоты на нагрев горячей воды и получаемое количество теплоты с заданной площади коллектора для различных климатических районов России.

5. Анализ углов наклона солнечного коллектора относительно горизонта (а) и отклонение его плоскости от южного азимута (Р) для различных районов России показал, что их величина зависит не от.

118 широты данной местности, как считалось ранее, а исключительно от местных природно-климатических условий. Составлена карта территории РФ с оптимальными углами наклона солнечных коллекторов (а) и отклонения их плоскости от южного азимута (?).

6. Экологическую оценку применения солнечного горячего водоснабжения предложено проводить с учетом природоохранного эффекта от использования экологически чистого источника энергии.

7. Разработаны рекомендации по проектированию жилых малоэтажных зданий с системами солнечного горячего водоснабжения, учитывающие различное расположение элементов системы и их интеграцию в объемно — планировочные и конструктивные решения.

8. Срок окупаемости современных систем солнечного горячего водоснабжения при существующих ценах на энергоносители в России достаточно высок (около 10−12 лет).

При массовом производстве отечественных систем солнечного горячего водоснабжения, росте цен на энергоносители, а также с учетом природоохранного эффекта от использования экологически чистого источника энергии срок окупаемости может быть значительно снижен. Конкурентоспособности экологически чистых источников энергии может способствовать и политика государства, стимулирующая их потребителей.