Техническое задание

Solar Decathlon - это международный конкурс, созданный Министерством энергетики США, в котором университеты со всего мира встречаются, чтобы проектировать, строить и эксплуатировать энергетически самодостаточные дома, подключенные к сети, которые используют солнечную энергию в качестве единственного источника энергии и применяют любые из технологий, которые обеспечивают максимальную энергоэффективность. В ходе заключительного этапа конкурса университетские команды должны собрать свои дома за короткий срок, открыть их для широкой публики, и пройти десять состязаний в конкурсе.

За каждое из 10 состязаний начисляются очки. Они описаны на рис.1:

Рис.1. (кликабелен).

Для того, чтобы проекты отвечали нуждам современного общества, в 2014 году во Франции была также внедрены следующие критерии, которым должны отвечать дома (Приблизительно с 1 ноября возможно уточнение правил для SD-2016):

1. Плотность населения

В настоящее время, большая часть населения живет в городах, где оставшиеся места для застройки становятся редкими и дорогими. Более плотные жилищные решения необходимы для того, чтобы свести к минимуму воздействие на окружающую среду. Конкурс SDE 2014 намерено стимулировал проекты, нацеленные на большее количество жителей, а не на индивидуальное строительство.

2. Мобильность.

Мобильность относится прежде всего к расположению здания относительно “ресурсов” (торговая зона, работа, отдых) (уменьшения расстояний ->уменьшение потребляемого бензина-топлива->экологическое влияние), но и не только. Это также поднимает вопрос энергетической связи между энергетически активным зданием и электрическим транспортом.

3. Умеренность

Это означает умеренность и ограничение производства электроэнергии. Хотя важно обеспечить поставку возобновляемой энергии, но даже более важно ограничить спрос и, следовательно, потребление энергии. Эта тенденция воплощена с ограничением количества установленной энергии фотоэлектрических модулей (5кВт).

4. Инновации

Solar Decathlon – это академический конкурс, и нововведения должны оставаться в центре проекта и считаться со всеми сторонами проекта: архитектура, строительство, энергетических системы, мебель, бытовой техникой. Существуют критерии, установленные конкурсом, которые отражают нужды обычного человека и надо найти наилучшие способы их выполнить.

5. Доступность.

Команда должна иметь в виду, что достижение выдающихся характеристик энергоэффективности и применение инноваций не обязательно требует за собой внедрение новых и очень дорогостоящих систем. Несмотря на их возможное использование, команда должна учитывать, что здание должно быть доступно для населения.

1. Требования и пожелания к архитектуре

Исходя из описанного выше, при разработке проекта следует опираться на социальные, экономические и экологические проблемы, которые свойственны тому региону (или регионам), для которых проектируется здание. Необходимо предусмотреть возможное будущее проекта, его интеграцию в среду, возможно, рассмотреть его как более большое здание. Привязка к конкретному месту возможна на более поздней стадии, чем первичное предложение (?). Далее следует спроектировать здание таким образом, чтобы обеспечить его максимальную энергоэффективность, причем не только с помощью применения высокоэффективного оборудования, но даже в большей степени применением тактик “пассивной энергоэффективности”.

Основные требования к представляемому на конкурсе проекту здания (по правилам):

1. Размер.

Здание должно вписываться в усеченную пирамиду с одним основанием 20x20м и вторым 10x10м на высоте 7м (рис.2). Высота здания считается от уровня пола при входе в здание. Возможны небольшие отклонения от этих правил.

Рис. 2.

Архитектурный отпечаток не должен превышать 150м^2. (возможна корректировка правил 1 ноября)

Он включает в себя всю область, находящуюся в заданном периметре здания (в том числе дома и компонентов). Терраса первого этажа (палуба, платформа и т.д) и компоненты ниже чем 1 метр не включены в архитектурный след. Открытые пространства, находящиеся рядом с домом и наглядно продолжающих линии здания включаются в архитектурный отпечаток (внутренние дворики и другие безкрышные пространства, примыкающие к периметру дома). Ко входу в здание должна быть подведена дорожка для людей с ограниченными возможностями с определенным максимальным уклоном.

Измеряемая площадь не должна превышать 70м^2 для одноэтажных и 110 для двухэтажных зданий. Это:

1. Покрытая (с крышей) и застроенная площадь, оставшаяся после того, как будут убраны стены, колонны, оси лестниц, площади, где высота менее 1,8м, шкафы, техника и другие элементы для хранения;

2. Внутренние поверхности стен, определяющих тепловой контур здания образуют необходимый периметр. Все жилые комнаты должны находится в этой площади.

Для участия в конкурсе, проекты должны включать в себя как минимум следующее:

1. Бытовые приборы – холодильник с морозильником, посудомойка, стиралка и сушилка для белья (может совмещенная??), духовка и плита, подача горячей и холодной воды, домашняя электроника.

2. Рабочая станция, письменный стол или стол, чтобы работать или учиться дома с компьютера (ПК или ноутбука)

3. Внутреннее общественное место для обедов

4. Внутренняя общественные зоны дома (по крайней мере, гостиная и кухня) должны быть открыты для посещения, причем должны быть доступны для людей с ограниченными возможностями

5. Спальня или некоторая площадь для кровати (она может быть раскладной)

6. Туалет и ванна (можно совмещенные).

7. Внутреннее и внешнее освещение.

На основе выбранной идеи (проблемы), необходимо запроектировать дом, удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям. Для достижения максимальной энергоэффективности следует руководствоваться набором правил, которые позволяют дому поддерживать оптимальные условия для человека при минимальных затратах энергии. Эти правила известны как “пассивный солнечный дизайн”, технология “пассивного дома” – свод конструкторских, архитектурных, планировочных и других решений, позволяющих адаптировать здание под меняющиеся климатические условия.

Концепция пассивного дома предлагает помимо проектирования стен с высокими теплоизоляционными характеристиками (R~ около 6,66-10 (м2○С)/Вт) (толщина с изоляцияей до 60см) конструировать здание следующим образом:

1. Конструирование без тепловых мостов.

Для избежания потерь в местах, где возможно появление мостиков холода (окончание бетонного элемента, стыки стен, места нарушения целостности изоляционной оболочки (например, в месте прохождения трубопровода) необходимо:

а) По возможности не делать отверстия в теплоизоляционной оболочке;

б) Если не возможно избежать отверстий в теплоизоляционном слое, то необходимо по возможности в этом месте максимально увеличить сопротивление теплопередаче в слое теплоизоляции, применять направленные на это техники (допустим расположить теплоизолирующий элемент на стыке между фундаментом и стеной);

в) Расположение утеплителя в стыках строительных элементов должно быть без пустых пространств, т.е. стык должен быть полностью изолирован;

г) Выбирать по возможности грани с тупыми углами. В то же время, большое количество углов в здании сложной формы (не кубической) увеличивает потери энергии из-за тепловых протечек.

2. Наружные оболочки здания должны быть воздухонепроницаемыми (это больше строительный вопрос, однако воздухопроницаемость легче обеспечить в более простых конструкциях – прямые углы, плоская крыша и т.д.)

3. Пассивное использование солнечной энергии – пассивный солнечный дизайн, направленный на максимальный сбор солнечной энергии солнца зимой и в то же время защита от солнца летом.

Правила пассивного солнечного дизайна.

Пассивный солнечный дом действует как большой коллектор и сохраняет полученное тепло. При этом он распределяет полученное тепло естественным образом – более теплый воздух поднимается вверх, холодный – вниз. Со временем весь теплый воздух скапливается “на потолке”, а там где находится человек остается холодный воздух, поэтому для поддержания оптимальной температуры следует решать проблему стратификации воздуха - создавать потоки воздуха искусственным образом, например, вентилятором.

Для максимизации теплопоступлений от солнечной радиации через прозрачные поверхности зимой, ориентация основных площадей окон здания должна быть на юг при отсутствии затеняющих препятствий. Опытным путем доказано, что остекление должно занимать примерно 40-60% от всей площади южного фасада, но важней качество окон, чем их площадь. Окна на фасаде дома должны располагаться примерно в следующем соотношении - 70-80% всех окон с южной стороны, 20-30% с восточной, 0-10% с западной и минимальная доля с северной. Естественно, от этих показателей можно отходить. В то же время летом, когда не требуется больших поступлений солнечной энергии, следует использовать жалюзи или строительные конструкции (откосы, лувры - http://materialsandsources.com/wp-content/uploads/2009/08/NACO-Wood-Louvers-Sun-Controlers_1353971905115.jpg ) для затенения помещений. На рис. видно, что во время зимних месяцев лучи проникают глубоко в дом, в то время как в летнее время помещения защищены от прямых солнечных лучей. Для этого необходимо понять, под каким углом находится солнце летом в середине июня и в январе в 12 часов. http://www.susdesign.com/overhang/

Принцип пассивного использования солнечной энергии.

Так как северная стена в этом отношении является самой “холодной”, там следует расположить помещения, где человек проводит наименьшее количество времени или где нет требований по отоплению, а на юге – где он находится дольше.

На рис. представлена такая планировка – гараж, техническая комната действуют как буфер между северной стеной и жилыми помещениями, для холодного климата желательна прихожая (тамбур). Также желательно максимизировать открытость планировки и не блокировать прохождение солнечных лучей в более удаленные места.

Дом желательно расположить по максимальной длине с востока на юг.

Для того, чтобы дом сохранял тепло от солнца, лучи от него должны попадать в течении дня на термальную массу, что называется эффектом парника (однако не следует, чтобы летом она находилась под солнцем). Термальная масса - некоторый объем материала, который имеет способность сохранять большое количество тепла и обладает высокой теплоемкостью. Самые лучшие материалы для использования их как термальная масса – вода, кирпич, бетон, камень, металл, земля, PCM.

Термальная масса также позволяет снизить тепловую инерцию здания, сглаживая колебания температуры внутри здания при больших колебаниях внешней температуры. Термическая масса, правильно подобранная по размеру, позволит достичь температурного баланса, что обеспечит потребности дома в тепле в течение ночи. Летом эта же термическая масса служит для охлаждения дома, играя роль буфера: поступающее тепло будет поглощаться в течение дня, а ко времени, когда масса разогреется, день подойдет к концу и собранное тепло можно «нейтрализовать», раскрыв окна и усилив циркуляцию воздуха в доме в течение ночи.

Для того, чтобы уменьшить потери на искусственную вентиляцию в помещениях в переходные сезоны либо в то время, когда внешняя температура воздуха является подходящей (например летом ночью) (18-24⁰), следует использовать принципы естественной вентиляции.

1. Эффект разряжения.

В случае воздухонепроницаемости оболочки здания возможно весьма эффективно использовать данный эффект, основанный на разности давлений воздуха по высоте, так как теплый воздух поднимается наверх, а холодный вниз. Холодный воздух будет заменять горячий при условии, если горячему воздуху есть куда “выходить”. Данный принцип проиллюстрирован на рис.

2. Принцип Бернулли.

Принцип Бернулли реализуется, когда возникает разность давлений от разности скорости ветра – чем быстрее ветер, тем меньше его давление. Чем выше ветер от земли, тем больше его скорость и тем ниже его давление. на это сильно влияют различные препятствия – стены, деревья, скаты крыш. Внешняя стена, которая встречает ветер, создает зону высокого давления, а крыша и подветренная сторона дома создает низкое давление. Поэтому низко расположенные окна буду “засасывать” воздух, а высоко расположенные окна или другие отверстия действовать как выход для воздуха.

Таким образом, дом можно спроектировать таким образом, чтобы оба эти принципа соблюдались. Для этого необходимо сделать размеры “входа” для воздуха и “выхода” примерно одинаковыми.

Солнечные дымоходы.

Солнечное излучение может использовано для интенсификации эффекта разряжения путем нагрева воздуха на выходе из здания.

Этого можно добиться либо прямым нагревом поверхности и передачи теплоты воздуху (рисунок сверху слева), либо нагревом через прозрачную изоляцию (например стекло) – 2 и 3 случай сверху.

Стена Тромба. Стена Тромба действует подобным образом – солнечное излучение попадает на термальную массу (допустим кирпичная стена) через прозрачную изоляцию. Нагреваясь между изоляцией и стеной, воздух поднимается наверх, либо попадая в здание, нагревая его, либо выходя наружу и охлаждая здания посредством эффекта разряжения.

Солнечные комнаты (или парники). Действует подобным образом, как и все вышеописанное. Важно расположить термальную массу внутри пространства солнечной комнаты, а сама солнечная комната должна являться частью дома. Возможны различные комбинации и они описаны на картинке.