ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ЗДАНИЕ "ЭКОДОМ SOLAR-5" Российский патент 2008 года по МПК E04H1/00 

Изобретение относится к области архитектуры и строительства и может быть использовано при разработке проектов и последующей застройке территорий пригородных и сельских систем расселения постоянного жительства, а также и рекреационных территорий сезонного отдыха для умеренного климатического пояса северного полушария.

Известны отечественные и зарубежные энергоэффективные здания, выполненные для умеренного климатического пояса северного полушария.

Известно энергоэффективное здание, содержащее начинающийся от цоколя южный скат двускатной кровли, полностью использованный под размещение солнечных коллекторов горячего водоснабжения. (См.: Энергоактивные здания./ Под ред. Н.П.Селиванова, М., С/И. 1988., с 247-248: «Одноквартирный жилой дом серии «М», полигон «Солнце», Россия).

Недостатком здания является решение южного ската кровли, закрывающего полностью южную стену дома, что исключает или затрудняет прямое солнечное освещение и прогрев жилых помещений зимой, как и их естественную аэрацию летом, в рассматриваемом энергоэффективном здании.

Известно энергоэффективное здание, содержащее окрашенную в черный цвет и остекленную стену южной ориентации и южный, с козырьком над стеной, скат двускатной кровли, использованный под размещение солнечных коллекторов горячего водоснабжения. (См.: Энергоактивные здания./ Под ред. Н.П.Селиванова, М., С/И. 1988., с 248: «Одноквартирный жилой дом серии «П», полигон «Солнце», Россия).

Недостатками здания являются решение южной стены без оконных проемов, что затрудняет прямое солнечное освещение и прогрев жилых помещений, расположенных в южной части здания, зимой, выбор малой глубины козырька южного ската кровли, что исключает затенение остекленной стены летом; малая площадь южного ската кровли, что затрудняет дополнительно к коллекторам размещение солнечных фотоэлектрических панелей, а также решение кровли здания в целом, исключающее солнечный прогрев помещений, расположенных в северной части здания, зимой.

Известно также энергоэффективное здание, содержащее южный скат двускатной кровли, полностью использованный под совместное размещение солнечных коллекторов водяного отопления и солнечных фотоэлектрических панелей, а также сплошной витраж (оконный проем) южной ориентации. (См.: Solararchitectur fur Europa / Focus film. Astrid Schneider, Berlin, 1996., p.48-51: жилой дом «Nullenergiehaus - serienreif», Wettringen, Германия).

Недостатками описанного прототипа являются предложенное решение кровли в целом, исключающее или затрудняющее прямое солнечное освещение и прогрев, как и естественную аэрацию помещений, расположенных в глубине здания, а также решение угла южного ската кровли в нормали к солнечным лучам в полдень дня осеннего/весеннего равноденствия, оптимальное для солнечных фотоэлектрических панелей, но снижающее при совместном с ними размещении максимальную теплоотдачу солнечных коллекторов водяного отопления, в наиболее холодные месяцы года при низкой высоте солнца над горизонтом.

Решаемая техническая задача - обеспечение высокой энергоэффективности здания совокупностью архитектурных средств и приемов.

Ожидаемый технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении 57% расчетных затрат на отопление здания за период года со среднесуточной температурой воздуха ниже +8°С и 38% расчетных затрат на отопление в наиболее холодную пятидневку с температурой воздуха -24°С, а также выражается в обеспечении комфортного теплового режима жилых помещений днем в период года со среднесуточной температурой воздуха выше +20°С.

Для решения поставленной задачи энергоэффективное здание, содержащее стены, сплошные и вентилируемые оконные проемы, двускатную кровлю с карнизами и уклоном скатов от конька кровли наружу, солнечные коллекторы водяного отопления и солнечные фотоэлектрические панели, смонтированные на кровле здания, и большую по протяженности продольную ось здания, вытянутую с востока на запад, отличается тем, что скат кровли, обращенный на юг, выполнен двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом к горизонту от 30° до величины, определяемой выражением 90-ф°, где ф - широта местности строительства здания, кроме того, ее кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных стен не более чем на треть их высоты, при этом по меньшей мере часть нижней плоскости использована для размещения солнечных фотоэлектрических панелей, причем верхняя плоскость этого ската кровли, размещена под углом к горизонту, определяемым выражением ф+15°, при этом по меньшей мере часть этой плоскости использована для размещения солнечных коллекторов водяного отопления и снабжена вентилируемыми оконными проемами, кроме того, скат кровли, обращенный на север, размещен под углом к горизонту от 75-ф° до 90-ф°, при этом его кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных торцевых стен, но не более чем на половину их высоты, и одновременно выступающего за конек, но не более чем на половину ширины верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг.

Кроме того, северный скат кровли выполнен двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом от 12 до 26,5° к горизонту и выступает за плоскость наружных стен в виде козырька не более чем на четвертую часть их высоты.

Кроме того, свободная от солнечных фотоэлектрических панелей поверхность нижней плоскость ската кровли, обращенного на юг, имеет светоотражающее наружное покрытие.

Кроме того, ориентация большей по протяженности продольной оси здания, вытянутой с востока на запад, ограничена максимальным отклонением оси до 20° к северу и югу от указанного направления, а внутренний угол пересечения торцевых стен (фасадов) и продольной оси здания в горизонтальной плоскости составляет не менее 60, но не и более 90°, при этом площадь оконных проемов принята не менее 60% от площади стен, ориентированных на южный, западный и восточный сектора горизонта, и не более 30% от площади стен, ориентированных на северный сектор горизонта, а также не менее 30% от суммарной площади оконных проемов выполнены вентилируемыми.

Кроме того, в границах наружных стен присутствует сквозное от пола до конька кровли вертикальное пространство площадью в горизонтальном сечении не более 50% от площади здания в границах наружных стен.

Сопоставительный анализ признаков заявленного изобретения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки формулы изобретения «скат кровли, обращенный на юг, выполненный двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом к горизонту от 30° до величины, определяемой выражением 90-ф°, где ф - широта местности строительства здания» обеспечивают максимальный КПД солнечных фотоэлектрических панелей на дни года, приходящиеся со дня весеннего до дня осеннего равноденствия. Признаки «кромка нижней плоскости, выполненная в виде козырька, выступающего за плоскость наружных стен, не более чем на треть их высоты» обеспечивают летнее околополуденное затенение оконных проемов. Признаки «верхняя плоскость ската кровли, обращенная на юг под углом к горизонту, определяемым выражением ф+15°, при этом по меньшей мере часть этой плоскости использована для размещения солнечных коллекторов водяного отопления и снабжена ... оконными проемами» обеспечивают максимальный КПД солнечных коллекторов водяного отопления и минимальные потери лучистого солнечного тепла, проходящего через оконные проемы в дни года, приходящиеся с середины января до середины февраля месяца. Признак «часть этой плоскости ...... снабжена вентилируемыми оконными проемами» способствует обеспечению комфортного теплового режима жилых помещений днем в период года со среднесуточной температурой воздуха выше +20°С посредством естественного оттока перегретого воздуха из-под конька кровли наружу. Признаки «скат кровли, обращенный на север, размещен под углом к горизонту от 75-ф° до 90-ф°» и «верхняя плоскость южного ската кровли ... снабжена ... оконными проемами» обеспечивают прямое солнечное освещение и обогрев помещений в северной части здания в дни года, приходящиеся на период со дня осеннего до дня весеннего равноденствия. Признаки «кромка ската кровли, обращенного на север, выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных торцевых стен, но не более чем на половину их высоты, и одновременно выступающего за конек, но не более чем на половину ширины верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг» обеспечивают летнее околополуденное затенение оконных проемов, содержащихся в верхней плоскости южного ската кровли и торцевых стенах здания.

Признаки 2 пункта формулы изобретения согласно законам аэродинамики препятствуют отрыву набегающего с севера ветрового потока от плоскости кровли.

Признаки 3 пункта формулы изобретения повышают КПД солнечных коллекторов водяного отопления при их дополнительном облучении отраженными от покрытия кровли солнечными лучами при низком угле стояния солнца над горизонтом зимой.

Признаки 4 пункта формулы изобретения «ориентация большей по протяженности продольной оси здания, вытянутой с востока на запад, ограничена максимальным отклонением оси до 20° к северу и югу от указанного направления» обеспечивают наибольшее поступление солнечного тепла через оконные проемы зимой. Признаки «внутренний угол пересечения торцевых стен (фасадов) и продольной оси здания в горизонтальной плоскости составляет не менее 60, но не и более 90°» обеспечивают образование зоны ветрового затишья с южной стороны здания при набегающем ветровом потоке с севера. Признаки «площадь оконных проемов принята не менее 60% от площади стен, ориентированных на южный, западный и восточный сектора горизонта, и не более 30% от площади стен, ориентированных на северный сектор горизонта» обеспечивают увеличение количества солнечного тепла, поступающего в помещения с юга, и сокращение потерь тепла через проемы, ориентированные на север. Признаки «не менее 30% от суммарной площади оконных проемов выполнены вентилируемыми» обеспечивают комфортный тепловой режим жилых помещений днем в период года со среднесуточной температурой воздуха выше +20°С посредством естественной аэрации.

Признаки 5 пункта формулы изобретения обеспечивают комфортный тепловой режим жилых помещений днем в период года со среднесуточной температурой воздуха выше +20°С посредством естественной аэрации вертикальным током воздуха.

На фиг.1 схематически представлен поперечный разрез энергоэффективного здания «Экодом Solar-5», на фиг.2 схематически представлен вид кровли энергоэффективного здания «Экодом Solar-5» сверху, на фиг.3 схематически представлен план энергоэффективного здания «Экодом Solar-5», на фиг.4 схематически представлен вид фасада энергоэффективного здания «Экодом Solar-5» с юга.

На чертежах показаны: нижняя плоскость ската кровли, обращенного на юг (1), размещенная под углом к горизонту в вертикальной плоскости (2) от 30° до величины, определяемой выражением 90-ф°, где ф - широта местности строительства здания, с козырьком (3), выступающим за плоскость наружных стен не более чем на третью часть их высоты, и с расположенными на ней солнечными фотоэлектрическими панелями (4); верхняя плоскость ската кровли, обращенного на юг (5), размещенная под углом к горизонту (6), определяемым выражением ф+15°, с расположенными на ней солнечными коллекторами водяного теплоснабжения (7), и снабженная вентилируемыми оконными проемами (8); скат кровли, обращенный на север (9), размещенный под углом к горизонту (10) от 75-ф° до 90-ф°, с козырьком (11), выступающим за плоскость наружных торцевых стен, но не более чем на половину их высоты, и одновременно выступающего за конек, но не более чем на половину ширины верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг.

Кроме того, на чертежах показаны: нижняя плоскость ската кровли, обращенного на север (12), размещенная под углом к горизонту (13), величиной от 12 и не более 26,5°; с козырьком (14), выступающим за плоскость наружных стен не более чем на четвертую часть их высоты, светоотражающее покрытие (15) нижней плоскости обращенного на юг ската кровли, большая по протяженности продольная ось здания (16), вытянутая с востока на запад, ограниченная максимальным отклонением до 20° к северу и югу от указанного направления, торцевые стены здания (17) и угол их пересечения в горизонтальной плоскости (18) с продольной осью здания (16), составляющий не менее 60, но и не более 90°, а также оконные проемы (19), площадь которых принята не менее 60% от площади стен, ориентированных на южный, западный и восточный сектора горизонта, и не более 30% от площади стен, ориентированных на северный сектор горизонта, при этом не менее 30% от суммарной площади указанных оконных проемов выполнены вентилируемыми, сквозное от пола до конька кровли вертикальное пространство (20) площадью в горизонтальном сечении не более 50% от площади здания в границах наружных стен.

Решению заявленной технической задачи способствуют размещение нижней плоскости ската кровли, обращенного на юг (1), под углом к горизонту в вертикальной плоскости (2), что обеспечивает максимальный КПД солнечных фотоэлектрических панелей (4) на дни года, приходящиеся со дня весеннего до дня осеннего равноденствия, размещение верхней плоскость ската кровли, обращенного на юг (5), под углом к горизонту в вертикальной плоскости (6), что обеспечивает максимальный КПД солнечных коллекторов водяного отопления (7) и минимальные потери лучистого солнечного тепла, проходящего через оконные проемы (8) на отражение, в дни года, приходящиеся с середины января до середины февраля месяца; размещение ската кровли, обращенного на север (9), под углом к горизонту в вертикальной плоскости (10), что в сочетании с оконными проемами (8) в верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг, обеспечивает прямое солнечное освещение и обогрев помещений в северной части здания в дни года, приходящиеся на период со дня осеннего до дня весеннего равноденствия; величина козырька (3), выступающего за плоскость наружных стен не более чем на третью часть их высоты, и величина козырька (11), выступающего за плоскость наружных стен и к югу за линию конька кровли не более чем на половину высоты стен и половину ширины верхней плоскости южного ската кровли здания, обеспечивающая летнее околополуденное затенение оконных проемов (8) и (19).

Кроме того, решению технической задачи способствуют двучастное деление ската кровли, обращенного на север, при котором его нижняя плоскость (12) и козырек (14) размещены под углом в вертикальной плоскости к горизонту (13), что согласно законам аэродинамики препятствует отрыву набегающего с севера ветрового потока от плоскости кровли; светоотражающее наружное покрытие (15), повышающее КПД солнечных коллекторов водяного отопления (7) при их дополнительном облучении отраженными от покрытия солнечными лучами, при низком угле стояния солнца над горизонтом зимой; максимальное отклонение большей по протяженности продольной оси здания (16), вытянутой с востока на запад, до 20° к северу и югу от указанного направления, что обеспечивает наибольшее поступление солнечного тепла через оконные проемы (8) и (19) зимой; величина угла (18) пересечения торцевых стен здания (17) с его продольной осью (16) в горизонтальной плоскости, способствующая образованию зоны ветрового затишья с южной стороны здания при набегающем ветровом потоке с севера, ограничение площади оконных проемов (19) в зависимости от их ориентации, способствующее увеличению количества солнечного тепла, поступающего в помещения с юга, и сокращению теплопотерь через проемы, ориентированные на север, а также ограничение минимальной площади вентилируемых через открытые створки оконных проемов (19), размещение вентилируемых через открытые створки оконных проемов (8) в верхней плоскости южного ската кровли и формирование в границах наружных стен здания сквозного от пола до конька кровли вертикального пространства (20), способствующих обеспечению комфортного теплового режима жилых помещений днем в период года со среднесуточной температурой воздуха выше +20°С посредством естественной аэрации.

Изобретение относится к области архитектуры и строительства и может быть использовано при разработке проектов и последующей застройке территорий пригородных и сельских систем расселения постоянного жительства, а также рекреационных территорий сезонного отдыха для умеренного климатического пояса северного полушария. Технический результат: обеспечение высокой энергоэффективности здания совокупностью архитектурных средств и приемов. Энергоэффективное здание содержит стены, сплошные и вентилируемые оконные проемы, двускатную кровлю с карнизами и уклоном скатов от конька кровли наружу, солнечные коллекторы водяного отопления и солнечные фотоэлектрические панели, смонтированные на кровле здания, и большую по протяженности продольную ось здания, вытянутую с востока на запад. Скат кровли, обращенный на юг, выполнен двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом к горизонту от 30° до величины, определяемой выражением 90-ф°, где ф - широта местности строительства здания. Ее кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных стен не более чем на треть их высоты, при этом по меньшей мере часть нижней плоскости использована для размещения солнечных фотоэлектрических панелей, причем верхняя плоскость этого ската кровли размещена под углом к горизонту, определяемым выражением ф+15°, при этом по меньшей мере часть этой плоскости использована для размещения солнечных коллекторов водяного отопления и снабжена вентилируемыми оконными проемами, кроме того, скат кровли, обращенный на север, размещен под углом к горизонту от 75-ф° до 90-ф°, при этом его кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных торцевых стен, но не более чем на половину их высоты, и одновременно выступающего за конек, но не более чем на половину ширины верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергоэффективное здание, содержащее стены, сплошные и вентилируемые оконные проемы, двускатную кровлю с карнизами и уклоном скатов от конька кровли наружу, солнечные коллекторы водяного отопления и солнечные фотоэлектрические панели, смонтированные на кровле здания, и большую по протяженности продольную ось здания, вытянутую с востока на запад, отличающееся тем, что скат кровли, обращенный на юг, выполнен двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом к горизонту от 30° до величины, определяемой выражением 90-ф°, где ф - широта местности строительства здания, кроме того, ее кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных стен не более чем на треть их высоты, при этом по меньшей мере часть нижней плоскости использована для размещения солнечных фотоэлектрических панелей, причем верхняя плоскость этого ската кровли размещена под углом к горизонту, определяемым выражением ф+15°, при этом по меньшей мере часть этой плоскости использована для размещения солнечных коллекторов водяного отопления и снабжена вентилируемыми оконными проемами, кроме того, скат кровли, обращенный на север, размещен под углом к горизонту от 75-ф до 90-ф°, при этом его кромка выполнена в виде козырька, выступающего за плоскость наружных торцевых стен, но не более чем на половину их высоты, и одновременно выступающего за конек, но не более чем на половину ширины верхней плоскости ската кровли, обращенного на юг.2. Энергоэффективное здание по п.1, отличающееся тем, что северный скат кровли выполнен двучастным, при этом его нижняя плоскость размещена под углом от 12 до 26,5° к горизонту и выступает за плоскость наружных стен в виде козырька не более, чем на четвертую часть их высоты.3. Энергоэффективное здание по п.1, отличающееся тем, что свободная от солнечных фотоэлектрических панелей поверхность нижней плоскости ската кровли, обращенного на юг, имеет светоотражающее наружное покрытие.4. Энергоэффективное здание по п.1, отличающееся тем, что ориентация большей по протяженности продольной оси здания, вытянутой с востока на запад, ограничена максимальным отклонением оси до 20° к северу и югу от указанного направления, а внутренний угол пересечения торцевых стен и продольной оси здания в горизонтальной плоскости составляет не менее 60, но и не более 90°; при этом площадь оконных проемов принята не менее 60% от площади стен, ориентированных на южный, западный и восточный сектора горизонта, и не более 30% от площади стен, ориентированных на северный сектор горизонта, а также не менее 30% от суммарной площади оконных проемов выполнены вентилируемыми.5. Энергоэффективное здание по п.1, отличающееся тем, что в границах наружных стен присутствует сквозное от пола до конька кровли вертикальное пространство площадью в горизонтальном сечении не более 50% от площади здания в границах наружных стен.