Как форма и планировка здания влияют на общую эффективность использования энергии

Как слой влияет на дневное освещение и искусственные нагрузки освещения

Планировка здания - расположение комнат, коридоров и проемов - оказывает глубокое влияние на то, сколько дневного света достигает внутренних помещений. Глубокие планы этажей с центральным ядром могут вызывать постоянную зависимость от электрического освещения, даже в солнечные дневные часы. Хорошо продуманная планировка, напротив, может обеспечить полезный дневной свет на 70-80% занятых областей, резко сокращая использование энергии освещения (что обычно составляет 15-20% от общего потребления энергии в коммерческих зданиях).

Глубина периметра и дневной световой зоны

Эффективная зона дневного света простирается примерно в 1,5 раза выше высоты окна от фасада. Для типичной высоты от пола до потолка, которая составляет примерно 4,5 метра. Склады, которые толкают рабочие станции, столы или первичные занятые зоны в пределах этого кольца периметра, максимизируют преимущество дневного света. Более глубокие пространства за 6 метров от окна получают минимальный дневной свет и должны быть назначены для вторичного использования (хранилище, коридоры, конференц-залы), которые могут выдерживать более низкие уровни света.

Планы открытых полей против клеточных планировок

Открытые планы этажей — где перегородки сведены к минимуму — позволяют дневному свету проникать глубже в здание, уменьшая потребность в искусственном освещении. Они также облегчают лучший воздушный поток. Однако открытые планы могут поставить под угрозу визуальную конфиденциальность и акустический контроль. Средняя площадка — это «частично открытая» планировка со стеклянными перегородками или трансомами, которые передают дневной свет, обеспечивая некоторое разделение. В офисных зданиях исследования показывают, что открытые макеты с низкими кубическими перегородками могут сократить энергию освещения на 25-40% по сравнению с полностью закрытыми офисами.

Естественный потенциал вентиляции через стирку

Планировка здания напрямую определяет, является ли естественная вентиляция возможной или даже эффективной. Кроссвентиляция - когда воздух проходит через пространство от входа с одной стороны до выхода с другой стороны - требует двух отверстий на разных ориентациях, предпочтительно выровненных с преобладающим направлением ветра. План этажа, который выравнивает комнаты и коридоры для создания четких потоков, управляемых давлением, может уменьшить зависимость от механической вентиляции в течение большей части года.

Односидовые ограничения вентиляции

Многие макеты полагаются на одностороннюю вентиляцию (окна только на одной стене). Это гораздо менее эффективно, особенно в неподвижных условиях воздуха. Эффективная глубина проникновения для односторонней вентиляции всего лишь примерно в 2-2,5 раза превышает высоту окна. Макеты с хорошо расположенными отверстиями на противоположных фасадах (или даже прилегающих фасадах) могут достигать скорости изменения воздуха в 3-5 раз выше. Например, классная комната с окнами на двух противоположных стенах может поддерживать приемлемое качество воздуха в помещении без механических вентиляторов в течение большей части плечевого сезона.

Стратегии Атриума и двора

Дворы и предсердия выступают в качестве вентиляционных стеков, протягивая воздух через смежные пространства. Центральный внутренний двор, открытый к небу, может создать тепловой дымоходный эффект: теплый воздух поднимается из внутреннего двора, вытягивая более прохладный воздух из окружающих помещений. Эта пассивная стратегия охлаждения может снизить энергию охлаждения на 30-50% в жарком сухом климате. В компоновке должны быть размещены обитаемые комнаты, прилегающие к внутреннему двору, с действующими окнами или вентиляционными отверстиями, соединяющими их.

Термическое зонирование: группирование пространств по использованию и загрузке

Внутренняя планировка определяет, насколько легко здание может быть зонировано для отопления и охлаждения. В отличие от оболочки здания, зонирование - это решение о компоновке. Пространства с высоким внутренним теплоприемником - кухни, серверные комнаты, спортзалы - должны быть сгруппированы вместе и отделены от зон с низкой нагрузкой (хранение, коридоры). Аналогично, пространства с различными графиками заполнения (например, тренажерный зал, используемый в основном по вечерам, а не в офисах, используемых в течение дня) должны быть на отдельных зонах HVAC или даже отдельных обработчиков воздуха.

Периметр против основного зонирования

Энергетические модели показывают, что зоны периметра (в пределах 4,5 м наружной стены) имеют очень разные тепловые нагрузки от внутренних зон ядра. Зоны периметра теряют тепло зимой и получают солнечное тепло летом; зоны ядра остаются относительно стабильными круглый год. Склады, которые разделяют эти зоны на отдельные схемы HVAC, позволяют системе реагировать на фактический спрос каждой зоны. Открытый план, который смешивает периметр и основные пространства без их разделения, делает зонирование почти невозможным, что приводит к перегреву в ядре и переохлаждению по периметру - классический источник энергетических отходов.

Ориентация и ее взаимодействие с формой и планировкой

В то время как форма устанавливает общую площадь поверхности, ориентация определяет, какие поверхности обращены к солнцу и преобладающим ветрам. Компактное квадратное здание, вращающееся на 45 градусов, может иметь совершенно другое солнечное воздействие, чем одно ориентированное из-за севера-юга. Планировка должна соответствовать ориентации солнца и ветра на участке, чтобы максимизировать пассивное усиление или минимизировать перегрев.

Солнечная ориентация для пассивного нагрева

В условиях климата, где преобладает отопление, длинная ось здания должна быть ориентирована на восток-запад, причем большая часть остекления должна быть обращена на юг (в северном полушарии). Это захватывает низкоугольное зимнее солнце, избегая при этом высокого летнего солнца (которое может быть затенено свесами). В компоновке должны размещаться основные занятые пространства (гостиные, классные комнаты, кабины) вдоль южной стороны, в то время как служебные помещения (ванные комнаты, хранилища, коридоры) идут на северной стороне.

Затенение и свесы

Планировка затеняющих устройств, таких как тенты, жалюзи или смежные крылья здания, должна быть интегрирована с планом пола. Южное окно с хорошо спроектированным свесом (от масштаба до широты) может допускать полное солнце зимой и блокировать его летом. Макет должен гарантировать, что свесы или стены крыла не блокируют естественную вентиляцию или дневной свет глубже внутри пространства.

Тематические исследования: форма и планировка в действии

Дело 1: Компактный куб против формы «H»

Рассмотрим школьное здание площадью 10 000 м2. Компактный куб (примерно 33 м × 33 м × 9 м) имеет площадь оболочки около 3420 м2. Компоновка в форме «H» с той же площадью пола имеет около 5100 м2 оболочки - увеличение на 49%. В холодном климате форма «H» потребует примерно на 25-35% больше энергии отопления. Форма «H» может обеспечить лучшее проникновение дневного света и естественную вентиляцию, но энергетический штраф является серьезным, если не компенсируется очень высокопроизводительным остеклением и изоляцией.

Дело 2: Дом во дворе в жарком сухом климате

Одноэтажный дом во дворе на юго-западе США использует U-образную планировку вокруг центрального корта. Компактная форма имеет умеренное соотношение S/V, но внутренний двор обеспечивает затененное наружное пространство и тепловой дымоход. Летом окна, выходящие во двор, открываются ночью; горячий воздух поднимается и выходит, охлаждая тепловую массу стен двора. В компоновке используется «буферная зона» хранения и обращения с восточной и западной сторон, чтобы защитить жилые помещения от низкоугольного солнца. Эта конструкция может снизить охлаждающую нагрузку на 40-60% по сравнению с отдельно стоящей коробкой той же площади пола.

Практический рабочий процесс проектирования: интеграция формы и планировки на ранней стадии

Чтобы правильно подобрать форму и макет, моделирование энергии должно начинаться во время схематического проектирования, а не после замораживания плана этажа. Инструменты параметрического анализа энергии (например, EnergyPlus, Sefaira или Cove.tool) могут быстро сравнивать десятки вариантов формы и компоновки.

• Соотношение поверхности к объему — цель ниже 0,3 м2/м3 для холодного климата, ниже 0,5 для смешанного климата.
• Дневная автономия — цель 50-70% занятых часов с полезным дневным светом (300 люкс) без жалюзи.
• Естественная скорость вентиляции (FLT:0) — обеспечивает по крайней мере 4-6 изменений воздуха в час для помещений с работоспособными окнами.
• Общая интенсивность использования энергии (EUI) — эталонный показатель по целям AIA 2030 или местным энергетическим кодам.

Итеративное тестирование вариантов планировки

В пределах фиксированного объема здания небольшие изменения в компоновке могут иметь негабаритные эффекты. Например, перемещение центрального коридора на северную сторону и размещение всех занятых комнат на юге может перевернуть профиль дневного света. Добавление светового колодца или атриума в ядро может привести дневной свет глубоко в 20-метровый план. Каждый вариант должен быть смоделирован для сравнения нагрузки освещения, отопления и охлаждения.

Материал и конвертные соображения, которые взаимодействуют с формой

Форма здания и планировка столь же эффективны, как и оболочка, которая их окружает. Хорошо сформированное здание с плохой изоляцией или высокой утечкой воздуха все равно будет работать плохо. И наоборот, неэффективная форма может быть частично компенсирована сверхизолированной и герметичной оболочкой, но по более высокой цене.

Термальные мосты в сложных формах

Удлиненные или сочлененные формы неизбежно вводят больше углов, краев крыши и соединений с напольной плитой - все потенциальные тепловые мосты. Каждый 90-градусный угол увеличивает потерю тепла на 5-10% локально. Для сертификации пассивного дома необходимо минимизировать линейное теплопередачу (ψ-значения), что часто подталкивает дизайнеров к более простым формам с меньшим количеством углов.

Отношение окон к стенам и планировка

Макет определяет, где расположены окна, а соотношение окна к стене (WWR) напрямую влияет на энергетические нагрузки. В компактном здании WWR 30-40% на южном фасаде может быть полезным; на западном или восточном фасадах более низкий WWR (20-30%) предпочтительнее для контроля перегрева. Макет внутренних помещений должен отражать это: большие окна принадлежат к жилым районам, ориентированным на юг, а не к спальням, ориентированным на запад.

Обычные подводные камни и как их избежать

• Падение 1: Максимальное количество просмотров, равномерное остекление всех фасадов. Результат: перегрев солнца на востоке и западе, блики и высокие нагрузки охлаждения. Решение: концентрировать остекление на севере и юге; использовать небольшие, затененные отверстия на востоке и западе.
• Падение 2: Глубокие напольные плиты без света.] Результат: постоянно темное ядро, высокая искусственная нагрузка освещения. Решение: толкать программу по периметру; вводить предсердия или световые совки для глубоких планов.
• Падение 3: Открытый план этажа, который предотвращает тепловое зонирование. Результат: один термостат служит для зоны смешанного использования; некоторые пассажиры перегреваются, а другие холодны.Решение: использовать подвижные перегородки или разделить пространства с различными профилями нагрузки на отдельные зоны.
• Пункт 4: Приоритет компактности формы над естественным потенциалом вентиляции. Результат: герметичное, герметичное здание без возможности использовать наружный воздух для свободного охлаждения. Решение: даже в холодном климате, конструкция по крайней мере для работоспособных окон на двух противоположных фасадах, защищенных от давления ветра.

Вывод: интеграция геометрии и производительности с первого дня

Форма здания и планировка не являются вторичными эстетическими решениями - они являются основными переменными производительности, которые устанавливают базовый уровень потребления энергии. Компактная, хорошо ориентированная форма в сочетании с удобной для освещения и вентиляции компоновкой может сократить ежегодное потребление энергии на 30-50% по сравнению с обычной конструкцией без дополнительных затрат на лучшее механическое оборудование.

Лучшие энергетические показатели достигаются, когда архитекторы и инженеры сотрудничают на ранней стадии, используя моделирование для тестирования вариантов геометрии до блокировки дизайна. Принципы, изложенные здесь - соотношение поверхности к объему, зоны дневного света по периметру, перекрестные вентиляционные пути, солнечная ориентация и тепловое зонирование - обеспечивают четкую основу для принятия этих первых важных решений. Для дальнейшего чтения веб-сайт BuildingGreen предлагает тематические исследования и глубокие погружения в пассивные стратегии проектирования. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии [FLT: 2] также публикует бесплатные инструменты и исследования по оптимизации формы здания.

В эпоху углеродных бюджетов и роста затрат на энергию форма зданий имеет значение как никогда. Правильное их решение является одним из наиболее экономически эффективных шагов к созданию среды с нулевой энергией.