Здание с повышенной энергоэффективностью Российский патент 2024 года по МПК E04H1/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении многоэтажных зданий с улучшенными энергоэффективными параметрами.

Как при возведении зданий, так и при их эксплуатации расходуется значительное количество ресурсов и энергии. Теплопотери построек могут достигать очень высоких значений - это дорого для собственников помещений и вредно для окружающей среды. Основную часть расходов по содержанию здания составляет оплата за энергию, причем эта часть расходов имеет постоянную склонность к росту цен. Оплата зависит от количества потребляемой энергии. Для снижения влияния на окружающую среду и расходы на содержание жилья, была разработана концепция энергоэффективного здания. Такая постройка потребляет меньше энергии, чем стандартное здание. Если здание спроектировано и построено по энергосберегающим правилам, то расход энергии может быть низким. Энергосберегающим называют такое здание, в котором используются проектные и технические решения, позволяющие эксплуатировать его с малым расходом энергии, сохраняя при этом комфортные санитарно-гигиенические условия.

В качестве энергоэффективных зданий широко известны конструкции с использованием солнечное энергии. Например, энергоэффективная строительная конструкция (патентная заявка WO 2018081555A1, опубл. 03.05.2018), имеющая многослойную конструкцию крыши и многослойные боковые стены, которая использует солнечную энергию и изменения температуры, происходящие в течение дня, в частности, за счет использования солнечных технологий и материалов с фазовым переходом для улавливания энергии, вырабатываемой солнечной энергией, а также изменения температуры внутри и снаружи конструкции здания. Однако такие здания недостаточно эффективны в странах с холодным климатом и малым количеством световых дней в году.

Известно энергоэффективное здание (патентная заявка SI 23268A, опубл. 29.07.2011), включающее теплоизоляционную многослойную оболочку и систему, обеспечивающую эффективное энергопотребление. Указанное здание состоит из подземной части и надземной части, при этом последняя включает термоизоляционную оболочку, внутри которой на разных этажах расположен ряд жилые помещения, которые непрерывно проветриваются через местные рекуператоры по принципу рекуперации тепла вытяжного воздуха. В жилых домах установлена полностью автоматическая система управления электрическими и машинными устройствами. Описанное здание в целом, его системы и реализация представляют собой изобретение с точки зрения соответствия стандарту пассивной энергии, качества и здоровой среды обитания, а также достаточно простого управления высокотехнологичным оборудованием. Здание по изобретению частично удовлетворяет свои потребности за счет возобновляемых природных ресурсов - дождевой воды и возобновляемых источников энергии.

Известна энергоэффективная строительная конструкция (патент US 8590262B1, опубл. 26.11.2013), в которой используют систему ограждающих конструкций здания с двойными стенами, имеющую наружные стены и соответствующие перегородки, расположенные на расстоянии от наружных стен. Система ограждающих конструкций обеспечивает достаточно места для изоляции, чтобы повысить тепловую эффективность дома или здания, одновременно позволяя строить с меньшими затратами, используя методы заводского изготовления.

Известно энергоэффективное здание (патентная заявка EP 2317021A1, опубл. 04.05.2011), в котором строительные конструкции окружены сплошной теплоизоляцией, а стеновая конструкция состоит из двух отдельных конструкций: внутренней стеновой конструкции и наружной стеновой конструкции с теплоизоляцией между ними, при этом внутренняя стеновая конструкция и внешняя стеновая конструкция являются несущими. В здании предусмотрена принудительная вентиляция.

Основными недостатками известных из уровня техники решений являются:

- высокая стоимость возведения зданий

- громоздкие неэстетичные конструкции свесов кровли для отведения воды,

- наличие теплопотерь здания со стороны пола,

- высокая толщина перекрытий, за счет чего высокими являются затраты на энергопотребление в холодное время года на нагрев и охлаждение воздуха.

- высокая стоимость эксплуатации по причине того, что для обслуживания таких зданий необходимо привлекать более квалифицированных специалистов.

Технический результат изобретения заключается в снижении энергопотребления в климатически нейтральных зданиях и сооружениях при минимизации затрат на их возведение.

Технический результат достигается зданием с повышенной энергоэффективностью, состоящим из свайного фундамента, мембранной кровли, несущих стен, внутри которых находятся колонны, балок, ферм, межэтажных плит перекрытия, самонесущих ограждающих многослойных стен, состоящих из металлических несущих элементов каркаса, облицовочных фасадных и внутренних слоев, тепло-шумоизолирующего слоя. Кровля покрыта профлистом с высокой волной, крепление которого к кровельному перекрытию осуществлено посредством Т-образного профиля, установленного по периметру здания. Парапет кровли выполнен в виде Т-образного профиля. Ростверк и основание фундамента по всей площади покрыты слоем утеплителя, причем ростверк расположен выпуском за пределы здания. Каждое межэтажное перекрытие покрыто подстропильной системой, состоящей из стропильной и подстропильной балки, причем подстропильные балки закреплены ниже стропильных, а над стропильными балками установлена арматура, над которой с зазором установлена бетонная стяжка. В качестве опалубки подстропильной системы использован профлист, установленный между стропильной и подстропильной балкой с заглублением в тело стропильной балки. Колонны и фермы скреплены фланцевыми соединениями, причем в каждый зазор между колонной и фермой установлена пластина, закрепленная к Т-образному профилю, установленному с другой стороны колонны.

Фундамент может быть выполнен стаканного типа, а фундаментные стаканы быть покрыты слоем утеплителя.

Заявляемое изобретение поясняется иллюстрациями. На фигуре 1 изображен общий вид здания, на фигуре 2 - конструкция кровли, на фигуре 3 - изображение удлинения ската кровли, на фигуре 4 - устройство парапетов, на фигуре 5 - устройство углов парапетов, на фигуре 6 - узел крепления балки и колонны, на фигуре 7 - узел соединения колонны с фундаментом, на фигуре 8 - узел соединения колонны с фермой.

Цифрами обозначено следующее:

1 - колонна,

2 - балка,

3 - ферма,

4 - забивная свая,

5 - узел соединения балки и колонны,

6 - пластина,

7 - узел соединения колонны и фермы,

8 - монтажная пластина,

9 - утеплитель пола,

10 - узел соединения колонны с фундаментом,

11 - ростверк,

12 - анкерный блок,

13 - профлист,

14 - утеплитель кровли,

15 - гидроизоляционный слой,

16 - Т-образный профиль,

17 - узел соединения подстропильной и стропильной балки.

Здание с повышенной энергоэффективностью содержит каркас, выполненный из металлоконструкций и представляющий собой колонно-балочную систему из по меньшей мере двух ярусов, свайный фундамент, мембранную кровлю, несущие стены. А также оно содержит межэтажные плиты перекрытия, самонесущие ограждающие многослойные стены, состоящие из металлических несущих элементов каркаса, облицовочные фасадные и внутренние слои, тепло-шумоизолирующий слой.

Металлический каркас здания состоит из колонн 1, балок 2 и ферм 3. Между колоннами 1 здания установлены по всему его периметру несущие стены с любым известным внутренним наполнением. В качестве балок 2 использованы любые из известных в строительстве, например, многопролетные неразрезные конструкции. В качестве колонн 1 применены любые металлические несущие колонны (например, двутавровые балки, профильные трубы и т.п.). В качестве ферм 3 использованы любые из известных в строительстве зданий с металлическим каркасом. Первый ярус колонн 1 жестко закрепляется в фундамент здания к забивным сваям 4. Балки 2 крепятся к колоннам 1 посредством узлов соединений 5, содержащих приваренные к боковым граням каждой колонны пластин 6 по всему периметру опирания, толщина которых зависит от размера сварного катета, как правило, 6-10 мм. Подобное исполнение узла соединений 5 балок 2 и колонн 1 позволяет разнести главные и второстепенные балки друг от друга, тем самым осуществив перенос нагрузки на колонну и снизив высоту стропильной балки, что позволит снизить общий объем здания, а значит повысить его энергоэффективность. Сопряжение колонн 1 последнего яруса с фермами 3 имеют узлы соединений 7 в виде фланцевых соединений, обеспечивающих минимальные теплопотери при максимальных показателях прочности. В зазор фланцевого соединения между колонной 1 и фермой 3 установлена монтажная пластина 8, закрепленная болтами к Т-образному профилю, установленному с другой стороны колонны в месте соединения. Габаритная высота стандартных узлов соединений составляет 250 мм и более. Габаритная высота описанного фланцевого соединения существенно меньше - 180 мм, за счет чего появляется возможность экономии высоты колонны и, соответственно, энергопотребление всего здания на 2 % (на примере здания с теми же размерами: длина 28м * ширина 24м * высота 8,7 м.

Фундамент здания выполнен свайного типа и имеет любую известную структуру. При этом между основанием фундамента и полом по всей площади уложен на подушку из песчано-гравийной смеси или песка слой утеплителя 9. В качестве утеплителя пола 9 может быть использован, например, экструдированный пенополистирол (далее - ЭППС). Утепление пола по всей площади по сравнению с традиционным утеплением по периметру позволит уменьшить теплопотери здания, так как одним из факторов стабильности теплообменных процессов является надежное утепление полов. Кроме того, фундамент изготовлен с использованием технологичных металлоконструкций с меньшим весом, что позволяет уменьшить габариты фундамента и, тем самым, сократить площадь наружных конструкций. Так, металлоконструкции фундамента включают в себя узлы соединений 10, фиксирующие между собой забивные сваи 4 с ростверком 11 и колонны 1. Между колонной 1 и ростверком 11 устанавливается анкерный блок 12, соединение зафиксировано бетонной заливкой. Поверх каждого узла соединений 10 укладывается утеплитель, в качестве которого использована сэндвич-панель и слой, например, ЭППС. По бокам ростверка по всему периметру также прокладывается слой ЭППС. Каждый ростверк 11 расположен выпуском за пределы здания.

Пример: здание, построенное в Оренбургской области, период изменения условий - 8 лет (обусловлено необходимостью учета динамики тепловых процессов из-за нагрева грунта под зданием в первые годы эксплуатации).

При утеплении полов по всей площади энергопотребление здания составляет от 76000, постепенно снижаясь до 64000 кВтч/год.

При стандартном утеплении полов по периметру энергопотребление здания составляет от 196000, постепенно снижаясь до 92000 кВтч/год.

В итоге при утеплении полов по всей площади получаем экономию в энергопотреблении до 50% (340 000 кВтч) за 8 лет.

В конструкции здания применена мембранная по профлисту кровля, установленная поверх кровельного перекрытия и представленная в виде кровельного пирога и имеющая послойную структуру: несущий профлист 13 с высокой волной (например, профлист Н-153), пароизоляционный слой, утеплитель кровли 14, гидроизоляционный слой 15 (например, кровельная мембрана). Применение несущего профлиста 13 в кровельном пироге с высокой волной позволяет уменьшить внутренний объем помещения, с сохранением полезной высоты, что экономит ресурсы для дальнейшей эксплуатации здания, благодаря превосходным качествам теплоизоляции. В качестве пароизоляционного слоя, утеплителя кровли 14 и гидроизоляционного слоя 15 могут быть использованы любые известные решения.

Пример: здание с размерами - ширина 28 м, длина 24 м, высота 8,7 м.

При использовании стандартных технологий строительства: кровля с применением прогонной системы, высота от верха фермы до верха кровельного пирога составляет 465 мм (швеллер- 240 мм, профлист - 75 мм, утеплитель - 150 мм).

При использовании профлиста с высокой волной: высота от верха фермы до верха кровельного пирога составляет 460 мм (150 мм - профлист, 150 мм - утеплитель, 160 мм - внутренний объем помещения с сохранением полезной высоты). При уменьшении строительной высоты конструктивных элементов уменьшается объем здания на 240 м³ (при объеме здания 1500 м³).

Таким образом, при применении несущего профлиста в кровельном пироге с высокой волной экономия составит 3% энергопотребления.

Свесы кровли фиксируют на несущие конструкции кровельного перекрытия без прогонов к Т-образным профилям 16, расположенным по периметру здания напротив краев ската кровли на расстоянии друг от друга, определяемом на этапе проектирования здания (как правило - 6000 мм). Т-образные профили 16 в свою очередь закреплены к верхним граням колонн 1 последнего яруса или балкам 2 здания известным способом. Согласно нормативным документам, воду, образованную выпадением осадков, необходимо отводить минимум на 600 мм от стен здания. Применение Т-образного профиля позволит отвести воду максимально далеко за пределы отмостки - на 1 м, без применения громоздких и неэстетичных конструкций, благодаря чему вода практически не попадает на фундамент здания, что приводит к увеличению срока его службы.

По периметру кровли установлен парапет из Т-образного профиля 16, позволяющий уменьшить теплопотери за счет маленькой площади наружной поверхности.

Пример: высота парапета 1 м.

При использовании в качестве парапета стандартных профильной трубы: площадь соприкосновения - 0,36 м².

При использовании Т-образного профиля: площадь соприкосновения - 0,1 м².

Таким образом, площадь наружной поверхности парапета в виде Т-образного профиля меньше более, чем в 3 раза, соответственно теплопотери снижаются также в 3 раза. При этом стоимость Т-образного профиля в среднем на 15% ниже стоимости профильной трубы.

Внутри здания возведены известные в области строительства межэтажные перекрытия, несущие конструкции которых предпочтительно монолитные (но могут быть любые другие из известных) и каждая из них содержит подстропильную систему перекрытия, что позволяет уменьшить толщину межэтажных перекрытий без потери прочности. Подстропильная система перекрытия состоит из стропильной и подстропильной балок, профлиста, арматуры и бетона. Узел соединения 17 стропильной и подстропильной балки устроен так, что подстропильная балка устанавливается ниже стропильной балки посредством болтовых соединений, над стропильной балкой размещается арматура с целью обеспечения прочности перекрытия, над которой оставляют зазор в 4 см, над которым устанавливают бетонную стяжку, что позволяет снизить строительную высоту подстропильной системы на 150 мм, а значит снизить внутренний объем пространства. Кроме того, профлист, установленный между стропильной и подстропильной балкой, с заглублением в тело стропильной балки использован в качестве опалубки подстропильной системы. Такие решения позволяет уменьшить количество нагреваемого и охлаждаемого воздуха, что существенно экономит затраты на энергопотребление в холодное время года.

Пример: двухэтажное здание с размерами длина 28м * ширина 24м * высота 8,7 м, объем здания 5846 м3.

При использовании стандартных межэтажных перекрытий высота балки составляет 350 мм, высота пустотной плиты - 220 мм, толщина стяжки - 80 мм. Общая толщина межэтажного перекрытия - 650 мм.

При применении подстропильной системы межэтажного перекрытия монолитная плита встраивается в тело балки высотой 350 мм, следовательно, монолитная плита выступает за пределы балки на 40 мм. Общая толщина межэтажного перекрытия - 390 мм.

Таким образом, применение подстропильной системы в межэтажном перекрытии позволяет исключить необходимость нагрева и охлаждения 175 м³ (около 8 кВт), что позволит сэкономить 3% энергопотребления. Кроме того, колонны здания будут меньше на 260 мм, что позволит получить экономию на металлоконструкциях и, соответственно, на энергопотреблении 4%.

Использование всей совокупности описанных технологических решений при строительстве позволит возводить энергетически пассивные здания из металлоконструкций с суммарным энергопотреблением менее 15 кВт*ч/кв.м в год. Технология пассивного здания предусматривает эффективную теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей - не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. В пассивных зданиях формируется высокоэффективная наружная теплоизоляция ограждающих поверхностей. Разработанные технологические методы позволяют снижать потребление энергии в течение всего жизненного цикла здания, начиная с проектирования, производства, транспортировки конструкций на стройплощадку и их монтажа, и заканчивая эксплуатацией здания, его последующим демонтажем и утилизацией.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении многоэтажных зданий с улучшенными энергоэффективными параметрами. Здание состоит из свайного фундамента, мембранной кровли, несущих стен, внутри которых находятся колонны, балок, ферм, плит перекрытия, самонесущих ограждающих стен, состоящих из металлических несущих элементов каркаса, облицовочных фасадных и внутренних слоев, тепло-шумоизолирующего слоя. Кровля покрыта профлистом, крепление которого осуществлено на Т-образный профиль. Парапет кровли выполнен в виде Т-образного профиля. Ростверк и основание фундамента по всей площади покрыто слоем утеплителя, а ростверк расположен с выпуском за пределы здания. Межэтажные перекрытия включают стропильные и подстропильные балки, над которыми установлена арматура и с зазором относительно арматуры уложена бетонная стяжка. Между стропильной и подстропильной балками установлен профлист с заглублением в тело стропильной балки. Колонны и фермы скреплены фланцевыми соединениями. В зазоры между колонной и фермой установлена пластина, закрепленная болтами к Т-образному профилю. Технический результат изобретения заключается в снижении энергопотребления в климатически нейтральных зданиях. 8 ил.

Здание с повышенной энергоэффективностью, состоящее из свайного фундамента, мембранной кровли, несущих стен, внутри которых находятся колонны, балок, ферм, межэтажных плит перекрытия, самонесущих ограждающих многослойных стен, состоящих из металлических несущих элементов каркаса, облицовочных фасадных и внутренних слоев, тепло-шумоизолирующего слоя, отличающееся тем, что кровля покрыта профлистом с высокой волной, крепление которого к кровельному перекрытию осуществлено посредством Т-образного профиля, установленного по периметру здания, парапет кровли выполнен в виде Т-образного профиля, ростверк и основание фундамента по всей площади покрыто слоем утеплителя, причем ростверк расположен с выпуском за пределы здания, каждое межэтажное перекрытие покрыто подстропильной системой, состоящей из стропильных и подстропильных балок, причем подстропильные балки закреплены ниже стропильных, а над стропильными балками установлена арматура, над которой с зазором установлена бетонная стяжка, в качестве опалубки подстропильной системы использован профлист, установленный между стропильных и подстропильных балок с заглублением в тело стропильных балок, а колонны и фермы скреплены фланцевыми соединениями, причем в каждый зазор между колонной и фермой установлена пластина, закрепленная к Т-образному профилю, установленному с другой стороны колонны.