Возможности затеняющих гелиосистем

Д. Долманс, генеральный секретарь Европейской организации по вопросам затеняющих гелиосистем (ES-SO)

Cветопрозрачные конструкции (окна и остекленные фасады) являются частью ограждающих конструкций здания, представляющую собой границу, через которую в здание поступает энергия солнечной радиации. Однако интенсивность солнечного потока довольно сильно колеблется как в течение дня, например, в дни с переменной облачностью уровень освещенности может меняться в сто раз, от 100 000 до 1 000 люкс, всего за несколько минут, так и в зависимости от времени года. Это, несомненно, влияет на температуру внутреннего воздуха в помещении и осложняет поддержание постоянного комфортного температурного режима в зданиях.

В результате технического прогресса теплоизоляционные свойства светопрозрачных конструкций постоянно улучшаются. Так, значение сопротивления теплопередаче для окна в течение последних лет выросли с 0,17 м²•°С/Вт у однослойных окон до порядка 0,91 м²•°С/Вт у современных систем остекления. Что касается показателя, характеризующего количество энергии солнечной радиации, проходящей через стекло и остающейся в помещении (g-фактор стекла), то он меняется не так быстро. Возможное изменение значений g-фактора стекла находится в диапазоне от 0 до 1. Например, если g-фактор стекла равен 0,5, это означает, что 50 % всей энергии солнечной радиации, падающей на стекло, остается в помещении, накапливаясь и перегревая внутренний воздух – возникает так называемый парниковый эффект.

В летний период на поверхность светопрозрачной конструкции может падать энергетический поток мощностью до 1 000 Вт/м². И эта величина может за считанные минуты измениться и снизиться до 100 Вт/м². Единственная возможность реагировать на такие резкие колебания – осуществлять контроль попадания энергии солнечной радиации (освещенности и тепловой энергии) внутрь помещения. Для этого используются современные быстро реагирующие автоматические гелиосистемы, выполняющие функцию затенения от солнечного света, предназначенные для установки как внутри помещения, так и снаружи. Такие системы снабжены интеллектуальным управлением, не требующим человеческого вмешательства и позволяющим практически мгновенно изменять количество пропускаемого солнечного излучения в помещение.

Регулирование поступления энергии солнечной радиации в помещение

Чаще всего для регулирования поступления энергии солнечной радиации в помещение используются гелиосистемы со сплошными тканевыми поверхностями или механизмом жалюзи. Рассмотрим подробнее особенности работы тканевых автоматизированных гелиосистем, затрагивая следующие аспекты:

• механизм действия высокоэффективных тканевых поверхностей, регулирующих поток энергии солнечной радиации;
• действующие европейские стандарты в данной области;
• энергетический эффект от автоматизированных гелиосистем.

Поток солнечной энергии, падающий на тканевую поверхность, частично отражается наружу, частично пропускается внутрь помещения, а частично поглощается тканью, вызывая незначительный ее нагрев и последующее излучение тепла (конвекцию) (рис. 1).

Рисунок 1. Механизм действия затеняющих поверхностей, регулирующих поток энергии солнечной радиации

Количество пропускаемой и отраженной солнечной энергии тканевой поверхностью можно измерить при помощи спектрофотометра в сертифицированной лаборатории, гарантирующей правильное выполнение процедуры, соответствующей общепринятым европейским стандартам (например, EN 14501). Используя стандартные методики (EN13363-1 и EN13363-2) и полученные количественные значения пропускаемой и отраженной энергии, выраженные в процентах, рассчитывается g-фактор тканевой поверхности с учетом аналогичного показателя оконного стекла. Таким образом, g-фактор является «стандартом качества» – мерой эффективности тканевой поверхности при регулировании пропускания энергии солнечной радиации.

Для наружных автоматизированных затемняющих гелиосистем значения g-фактора достигают 0,1, что означает 90 %-ную защиту от солнечного излучения. Для систем, располагаемых внутри помещений, эти значения обычно более умерены и находятся в интервале 0,3–0,6. Это объясняется тем, что часть энергии солнечной радиации проходит через стеклянные поверхности окна и, только уже попав внутрь помещения, улавливается тканевой поверхностью, затеняющей гелиоустановки.

Помимо парникового эффекта, создаваемого энергией солнечной радиации, необходимо контролировать интенсивность светового потока (освещенности), влияющего на уровень видимости.

В этом случае критерием является качество восприятия освещения, проникающего через затемняющую гелиосистему, обозначаемое Tv и выражаемое в процентах. Как правило, архитекторы предпочитают работать с прозрачным стеклом, поскольку тонированное остекление в большой мере блокирует дневной свет и приходится компенсировать недостаток естественной освещенности за счет установки дополнительных источников света. Разработаны и используются специальные затемняющие гелиосистемы, контролирующие интенсивность и яркость естественного освещения и поддерживающие оптимальный уровень освещенности.

Влияние затемняющих гелиосистем на конструкцию систем климатизации здания

Жители городов проводят до 85 % времени в помещениях: доме, офисе, магазине и т. п. В этом контексте здания представляют собой не просто строительные конструкции, а становятся «инструментом для жизни», как выразился один из наиболее выдающихся архитекторов XX века Ле Корбюзье. Понятие «комфорта» обязательно включает в себя оптимальный температурный режим (качественное отопление), успокаивающую визуальную информацию без бликов или избыточной яркости, отсутствие раздражающих шумов и хорошее качество внутреннего воздуха. Многие из этих составляющих комфорта обеспечиваются системами климатизации зданий – отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК).

Сегодня требования к комфортности зданий должны учитывать стандарты энергоэффективности, стремиться к снижению энергопотребления и использованию возобновляемых источников энергии. Решению этой задачи может помочь «концепция биоклиматического фасада». Обычно системы ОВК проектируются с учетом пиковых тепловых нагрузок и максимально ожидаемых внутренних тепловыделений, а регулирование поступления солнечного излучения при организации правильной затеняющей гелиосистемы позволит снизить энергопотребление при охлаждении помещения в летний период и, наоборот, использовать теплоту энергии солнечной радиации зимой с помощью функции интеллектуального управления.

В качестве иллюстрации были проведены модельные расчеты для двухэтажного офисного здания, расположенного в Марселе (Франция). Общая площадь здания составляет 800 м², поверхностью окон – 35 % от площади фасада. В настоящее время проводится модернизация здания. Потребность в энергии была рассчитана для двух возможных сценариев (рис. 2), оба из которых предусматривают использование наружных затеняющих гелиосистем. В первом сценарии применяется автоматическое управление жалюзи с g-фактором, равным 0,50, во втором – автоматическая биоклиматическая затеняющая гелиосистема с g-фактором 0,05. Для первого случая нагрузка на охлаждение составила 22 016 кВт•ч в год, а во втором – 14 478 кВт•ч в год. Таким образом, второй вариант экономичнее на 34 %.

Рисунок 2. Потребность в охлаждающей энергии для офисного здания

Естественно, использование энергии солнечной радиации отражается на подборе мощности систем ОВК. При традиционном подходе для рассматриваемого здания необходимо было бы использовать систему кондиционирования воздуха с установленной мощностью 32 кВт, чтобы покрыть пиковую нагрузку, в то время как для биоклиматического фасада достаточно установки с пиковой мощностью 25 кВт, что позволяет существенно сэкономить на инвестиционных затратах и значительно уменьшить потребление электроэнергии.

Европейские проекты интеллектуального управления энергопотреблением

Преимущества затеняющих гелиосистем очевидны для специалистов, работающих в этой области, но пока малоизвестны и не используются широко. Индустрия затеняющих гелиосистем, в отличие от таких отраслей промышленности, как стеклопроизводство или теплоизоляция, состоит из тысяч малых и средних предприятий. Для поддержания их интересов и оказания помощи в решении профессиональных проблем требуется объеденение этих организаций в единый блок. Для этого и была создана Европейская организация по вопросам затеняющих гелиосистем (European Solar-Shading Organization, ES-SO). Поддерживая своих членов из 15 европейских стран, ES-SO стала партнером в нескольких проектах агентства по внедрению интеллектуального энергопотребления (Intelligent Energy Executive Agency). Например, один из проектов направлен на преобразование рынка систем вентиляции и кондиционирования воздуха к созданию устойчивого климатического комфорта в летнее время (проект Keep Cool II, www.keep-cool.eu), в котором ES-SO оказывает экспертную помощь по затеняющим гелиосистемам, включая методики расчетов и решение технологических вопросов.

Результатом тесного взаимодействия ES-SO с Федерацией европейских ассоциаций по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха (REHVA) стала публикация руководства по интеграции затеняющих гелиосистем в устойчивые здания (Solar Shadind. How to integrate solar shading in sustainable buildings), представляющая комплексный подход с учетом широкого спектра сопутствующих вопросов. В руководстве приводится анализ возможностей затеняющих гелиосистем, позволяющих снизить энергопотребление зданий, и результаты расчетов. Кроме этого, дана основная информация о характеристиках солнечного излучения, влиянии энергии солнечной радиации на различные поверхности остекления и качество микроклимата.

Исследование конкретных зданий, расположенных в различных географических регионах, показывает, что существующие затеняющие гелиосистемы могут внести существенный вклад в решение задачи по снижению энергопотребления и, как следствие, уменьшению выбросов углеродных газов.

Рисунок 3. Использование внешних затеняющих гелиосистем

Статья подготовлена по материалам журнала REHVA. – 2010. – № 3 (47).