Влияние зеленых кровель на энергоэффективность зданий



В данной статье исследуются конструкции зеленых кровель в покрытиях зданий. Рассмотрены преимущества озелененных кровельных покрытий с точки зрения энергоэффективности. Описываются некоторые конструктивные особенности конструкций зеленых кровель. Произведен сравнительный теплотехнический расчет традиционного кровельного покрытия и озелененной кровли.

Ключевые слова : зеленая кровля, энергоэффективность, проектирование, здание.

В наше время все более прогрессивным становится развитие технологий, вследствие чего все больше загрязняется окружающая среда. Поэтому становится актуальным экологичное, безопасное и энергоэффективное строительство.

С 2009 года рациональное энергопотребление приобретает одно из приоритетных направлений в России. Появились федеральные законы об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и технические регламенты, которые направлены на повышение энергоэффективности.

Следует отметить, что в распоряжении Правительства Российской Федерации от 18.11.2020 № 3024-р предлагается привлечение внебюджетных средств в развитие проектов устойчивого, в том числе «зеленого» строительства. «Зеленое строительство» заключается в необходимости реализации главных характеристик зданий: экологичности, экономичности, энергоэффективности, обеспечение комфортной среды обитания для людей. В России данная практика только начинает свое активное внедрение, поэтому возникает необходимость развития экологических эффективных решений в строительной индустрии страны [2].

На сегодняшний день приобретает актуальность такой способ повышения энергоэффективности, как технология озеленения кровель. Мероприятия по их устройству обеспечивают экономию энергоресурсов за счет снижения температуры, времени кондиционирования воздуха. Зеленые кровли являются современным решением для повышения энергоэффективности зданий в регионах с жарким и холодным климатом. Их конструкции могут являться дополнительным слоем теплоизоляции в условиях жаркого климата, который в условиях холодного климата будет, наоборот, способен удержать тепловую энергию в здании. Принципиальная схема конструкции «зеленой» кровли представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема конструкции зеленой кровли

Устройство зеленых крыш показывает высокую функциональность в сравнении с традиционными типами кровельных покрытий. Озелененные крыши имеют следующие преимущества [4,10]:

1. сглаживание температурного режима;
2. зеленый покров является дополнительным источником кислорода
3. очищение и разумное использование дождевой воды, снижение нагрузки на ливневую канализацию;
4. увеличение срока использования гидроизоляционного покрытия;
5. экономия энергии на отопление и кондиционирование;
6. создание современного внешнего облика зданий и сооружений;

В условиях плотной городской застройки и ростом населения создание экологичных и комфортных пространств становится все более актуальным. Устройство эксплуатируемых зеленых покрытий кровли является в настоящее время одним из перспективных и прогрессивных направлений. Различные исследования доказывают улучшение экологии и окружающей обстановки в городах благодаря использованию ландшафтной архитектуры на крышах зданий. Здания с зелеными эксплуатируемыми кровлями будут выделяться на фоне городских пейзажей и украшать современные города (рис. 2), становясь самостоятельными и стильными зонами экологического комфорта для жителей мегаполисов.

Рис. 2. Зеленая кровля ТРЦ Zorlu в Турции

Данные решения кровель являются уникальным элементом здания, позволяющим скрыть непривлекательные поверхности или наоборот — акцентировать внимание на наиболее важных деталях здания [3].

По типу озеленения зеленые кровли бывают трех видов: экстенсивные, полуэкстенсивные и интенсивные. Между собой они различаются составляющими, которые зависят от вида кровли, нагрузок и выбора растительного материала [8].

Инновационная технология зеленых кровель привлекает все большее внимание в связи с ее тепло-экономическими преимуществами [6]. По данным аналитических оценок примерно 40 % электро- и тепло — энергии расходуется на эксплуатацию зданий в мире. В 2018 году в МГСУ был произведен практический эксперимент по определению теплофизического сопротивления материалов кровельных слоев [1], в результате которого было выявлено, что теплоизоляционные качества здания можно улучшить на величину до 77 % при помощи изменения кровельных слоев здания путем их озеленения. Основное преимущество использования зеленых кровель на крышах зданий — это экономия энергии на обогрев и охлаждение здания. На основании проведенных исследований, можно говорить об увеличении энергоэффективности общественных зданий более чем на 5 % за счет сокращения затрат и теплопотерь при отоплении и кондиционировании зданий с «зелеными» крышами [5,7].

Для подтверждения вышеизложенных данных проведем сравнительный теплотехнический расчет традиционного кровельного покрытия и «зеленой» кровли для г. Сочи в соответствии с требованиями СП 50.1330.2012 «Тепловая защита зданий» и СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». Характеристики материалов кровельных слоев двух вариантов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Теплофизические характеристики материала слоев

№	Материал	Толщина слоя , м	Коэф-т теплопр., Вт/(м* )	Конструкция	R 0 , м 2 * /Вт
Покрытие зеленой кровли
1	Монолитная ж/б плита перекрытия	0,2	1,92		3,325
2	Пергамин на мастике	0,005	0,17
3	Дренажная мембрана	0,0085	0,251
4	Грунт (торф)	0,3	0,1
Традиционное кровельное покрытие
1	Железобетонное основание	0,2	1,92		1,712
2	Пергамин на мастике	0,005	0,17
3	Минераловатная плита	0,07	0,052
4	Цементно-песчаный раствор	0,02	0,76
5	Изопласт ЭКП-5.0 2 слоя 8 мм	0,008	0,17

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, рассчитывается по СП 50.13330.2012.

По таблице 3 СП 50.13330.2012 в зависимости от градуса суток отопительного периода:

ГСОП = (t _в — t _оп ) · Z _оп , [ ^о С·сут], (1)

где t _оп , Z _оп — средняя температура наружного воздуха, и продолжительность отопительного периода [сут/год]. Данные параметры принимаем по своду правил для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8°С.

В данном случае:

ГСОП= (t _в — t _оп )·Z _оп = (18–6,6) * 93 =1060,2 /год

Нормативное значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (стен):

R _о ^тр = а·ГСОП + в, [м ² · ^о С/Вт], (2)

где а и в — коэффициенты, значения которых принимают по табл. 3 СП 50.13330.2012 для соответствующих групп зданий. Для жилых зданий а = 0,00035, в = 1,4.

R _о ^тр = 0,00035 * 1060,2 + 1,3 =1,67 [м ² · ^о С/Вт], (3)

Фактическое сопротивление теплопередаче определяем по формуле:

R ₀ = R ₁ + R ₂ + … + Rn = ( + + + … + + )·r, (3)

где r — коэффициент теплотехнической однородности (r = 1);

δ _n и λ _n — толщина, м, и расчетный коэффициент теплопроводности материала n-го слоя, Вт/(м· ^о С), принимаемый с учетом условий эксплуатации конструкций по табл. Т1 СП 50.13330.2012;

α _в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода, Вт/(м ² · ^о С), принимаемый по табл. 4 СП 50.13330.2012;

α _н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода, Вт/(м ² · ^о С), принимаемый по табл. 6 СП 50.13330.2012.

В рассматриваемом примере α _в = 8,7 Вт/(м ² · ^о С), α _н = 23 Вт/(м ² · ^о С).

Определяем фактическое сопротивление теплопередаче R ₀ «зеленой» кровли:

= 1/8,7 + 0,104+ 0,029 + 0,034+ 3 + 1/23 =3,325 [м ² * /Вт]

Определим фактическое сопротивление теплопередаче R ₀ традиционного кровельного покрытия, предварительно вычислив требуемую толщину утеплителя, равную 0,07 м.

= 1/8,7 + 0,2/1,92+0,005/0,17+0,07/0,052+0,02/0,76 + 0,008/0,17 + 1/23 =1,712 [м ² * /Вт]

Расчетный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающих конструкций не превышает нормируемой величины.

Исходя из полученных результатов термических сопротивлений двух типов кровли, можно сделать вывод что наиболее эффективным является «зеленый» тип кровельного покрытия. На основании расчетов можно сделать предварительный вывод об эффективности применения конструкций «зеленой» кровли в покрытиях зданий на основании сравнения эффективности ее использовании по сравнению с традиционным решением.

Устройство эксплуатируемой зеленой кровли решает такие задачи как повышение энергоэффективности, благоустройство и озеленение городского ландшафта [9]. Грамотное проектирование «зеленой» кровли с учетом всех требований к покрытию зданий, учета климатических условий и нагрузок на перекрытия и ее современное и комфортное благоустройство в большой степени может компенсировать нехватку природных пространств на уровне земли, которых с каждым годом лишаются крупнейшие города в процессе роста темпов урбанизации.

Литература:

1. Аксенов И. С., Сысоева Е. В. «Зеленые кровли, как решение ряда экологических проблем современной городской среды», журнал Инновации и инвестиции, № 9 2018.
2. В. Д. Тухарели, А. В. Тухарели, Ю. В. Ли «Экологическое строительство как инновационный подход в строительной индустрии» // Инженерный вестник Дона, № 3 (2018).
3. Дувинг С. «Зеленые» здания в России и за рубежом // ЮНИДО в России. — 2012. — № 8 С. 72–79.
4. Жадан/ О. В. Экологические преимущества устройства кровель с применением технологии озеленения / О. В. Жадан, Л. А. Смирнова // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения. — 2019. — С. 14–17.
5. Исследование зеленой кровли в покрытиях зданий общественного назначения/ Сысоева Е. В., Гельманова М. О.//Архитектура и градостроительство № 2 (76) 2018.
6. Копылова А. И. Энергетическая эффективность здания с применением технологии «зеленая кровля» /Копылова А. И., БогомоловаА.К., Немова Д. В. // «Строительство уникальных зданий и сооружений».- 2016.-10 (49), — с. 20–34.
7. Российская академия наук. Изменение окружающей среды и климата: Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Главный редактор, академик Н. П. Лавёров. Москва, ИГЕМ РАН, 2007.
8. Сысоева Е. В., Москвитина Л. В. / Эффективность применения «зеленых» крыш на территории России // Инновации и инвестиции. 2021. № 10. С. 251– 259.
9. Шамарина А. А. Эксплуатируемые кровли как средство городского дизайна // Вестник Пермского Национального Исследовательского Политехнического университета. Урбанистика. 2012. № 4(8). С. 47–59.
10. Швалев М. Д., Мальцева И. Н. / Эксплуатируемые кровли как фактор устойчивого развития городов. В: Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2020; № 3 (46) стр. 89–9.