CC BY
31
строительные науки Два способа увеличения жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах
строительная теплофизика и энергосбережение на строительство и эксплуатацию здании В.К. Савин1, Н.В. Савина2
1 НИИСФ РААСН, 2 МГСУ
В обстановке мирового кризиса необходимо более остро и четко поставить вопрос о повышении эффективности строительства. Этого можно достигнуть путем внедрения беззатратных технологий с переориентацией и перепрофилированием существующих предприятий на строительство менее энергоемких и более долговечных зданий, в которых эксплуатационные затраты оставались бы неизменными, а количество построенных квадратных метров значительно увеличивалось. При таком подходе строительный комплекс должен выполнить заказ большинства населения в существенном увеличении объемов строительства без повышения материалоемкости и эксплуатационных затрат. В этом состоит его общественная полезность, экологическая и социальная безопасность.
При строительстве и эксплуатации здания необходимо учитывать суммарный расход энергии за срок его службы включая период строительства, и эксплуатации. При одинаковом расходе энергии, затраченной на строительство и эксплуатацию здания, можно увеличить количество квадратных метров жилья с помощью правильного выбора архитектурно-планировочных решений. По этому поводу имеется множество статей и монографий, в которых приводится подробный анализ влияния архитектурно — планировочных решений на потери тепла через оболочку здания. Однако во всех городах строятся дома-башни, хотя совершенно очевидно, что с точки зрения экономии энергии и ресурсов их можно отнести к энергодефективным зданиям. Если, например, три дома-башни соединить вместе, то теплопотери через стены среднего здания будут в два раза ниже. При таком подходе можно выбрать вариант без дополнительных затрат, который дает возможность из одних и тех же материалов увеличить объем строительства.
Покажем на конкретном примере влияние объемно-планировочных решений на увеличение жилищного фонда страны при неизменных энергетических затратах на строительство и эксплуатацию зданий.
На рис. 1а показан план четырех стоящих рядом «домов-башен» размером 12х 12 м и площадью пола 144 м2. Общая площадь четырех зданий составляет 576 м2. При высоте этажа 3 м площадь наружных теплоотдающих поверхностей одного здания равна 144 м2, четырех эданий — 576 м2. Отношение теплоотдающих поверхностей Рн к площади пола Рп одного здания равно Рн/ Рп = 144/ 144 = 1, а четырех зданий также равно единице — Р/ Р = 576/576 = 1.
На рис.1б приведено другое объемно-планировочное решение, когда все четыре дома-башни
соединены между собой и составляют единое целое. При таком архитектурно-планировочном решении наружные стены 1—6, показанные на рис.1а, можно использовать для наращивания длины здания с 46 до 84 м. В результате суммарная площадь пола по сравнению с четырьмя домами-башнями увеличится на 432 м2 и составит 1008 м2. Отношение площади наружных поверхностей такого здания прямоугольной формы к площади пола составит единицу, соотношение Рн/Рп =576/1008 = 0,57, а теплоотдача наружных поверхностей четырех домов-башен и дома прямоугольной формы размером 12х84 м не изменится. При эксплуатации оба варианта зданий на отопление потребляют одинаковое количество энергии без каких-либо дополнительных энергетических затрат, но при строительстве здания в виде параллелепипеда мы имеем 432 м2 дополнительной площади.
К неоправданной затратной технологии при проектировании архитектурно-планировочных решений следует также отнести строительство «домов-на-гревательных приборов». Развитая наружная поверхность нагревательного прибора, например, чугунного радиатора, выполняется с целью максимальной отдачи тепла во внутрь помещения. Проектируемые «дома-нагревательные приборы» с лоджиями, балконами, эркерами, различными выступами и т.п. элементами, так же как и нагревательный прибор, способствуют максимальной отдаче энергии, отапливая улицу. Особенно этот фактор проявляется в климатических условиях России, где наблюдается сочетание низких температур с высокими скоростями ветра. На отопление таких зданий расходуется в несколько раз больше тепла. Так же как и в первом случае, «дома-нагревательные приборы» следует заменять на гладкостенные здания прямоугольной формы, получая дополнительные беззатратные квадратные метры. Выполненный анализ показывает огромное влияние архитектурно-пла-
144 м2
♦И &
12
144 м2 ►В & 144 м2 0, 144 м2
144x4 = 576 м2
48
дополнительная беззатратная площадь 432 м2
36
Рисунок 1. План четырех стоящих рядом «домов-башен» размером 12х12 м и площадью пола 144 м2.
а
б
строительная теплофизика и энергосбережение
нировочных решений на энергоэффективность строительства.
Увеличение объемов строительства жилых зданий с учетом архитектурно-планировочных решений
При выполнении национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» следует руководствоваться тем, что слово «доступное» означает дешевое и комфортное жилье, объемы строительства которого нужно увеличивать в разы.
Проблему оптимизации архитектурно-планировочных решений рассмотрим с точки зрения малоимущего населения, которое могло бы купить жилье не более, чем за 30000-40000 руб./м2. В этом случае при обеспечении в помещениях комфортных условий необходимо стремиться к уменьшению площади наружных ограждающих поверхностей зданий и увеличению поверхности пола. С этих позиций для малоимущего населения России не подходят красивые дома-нагревательные приборы с развитой наружной поверхностью и небоскребы, построенные из стекла, бетона, метала, а подходят дома гладкостенные в форме параллелепипеда с шириной стороны корпуса I и длиной х. Без учета толщины стен его площадь пола составляет Р = 1х, м2. Периметр такого дома равен Р = 21 + 2х, м.
Оптимизацию архитектурно-планировочных решений такого здания следует проводить с учетом обеспечения помещений естественным светом и воздухом. При решении поставленной задачи необходимо выбрать и обосновать высоту помещений Н и ширину корпуса здания I. Исследования гигиенистов говорят о том, что для обеспечения комфортной воздушной среды в помещении нужна кубатура воздуха на одного человека порядка 50-60 м3. Они рекомендуют архитекторам и проектировщикам принимать высоту жилых помещений 2,8-3 м [1,2].
При оптимизации архитектурно-планировочных решений ширину корпуса здания следует выбирать из условия обеспечения помещений естественным светом. Если на всей Европейской части России использовать энергоэффективные окна с двумя слоями остекления из обыкновенного стекла, светопро-пускание которых tо = 0,81, то, согласно расчетам по [3,4], ширина корпуса должна составлять порядка 12-14 м.
Авторы называют энергоэффективными окнами окна с минимальным расходом суммарных первичных энергоресурсов при их производстве и эксплуатации, которые обеспечивают нормируемые значения освещенности в расчетной точке помещения. Сейчас проектировщики и архитекторы, при-
386
меняя окна с низкими светотехническими свойствами, не увеличивают площади световых проемов и повсеместно нарушают СНиП «Естественное и искусственное освещение», а полученную экономию энергии за счет более высокого уровня теплозащиты конструкции ошибочно выдают за высочайшее достижение новых технологий и разработок. В качестве примера можно привести квартиры в доме (г. Москва, Октябрьский пер., д. 5), в котором установлены две нитки окон (на балконах трехслойное остекление и в комнате — двухслойное) с пятью слоями остекления, из которых два стекла имеют низкоэмиссионное покрытие (светопрозрачное ограждение эквивалентно семи слоям остекления). Практически такое ограждение лишает людей естественного света и воздуха.
Основная задача оптимизации архитектурно-планировочных решений состоит в нахождении наибольшей величины отношения площади пола помещений этажа к площади его наружных поверхностей. При анализе архитектурно-планировочного решения многоэтажного здания мы отбрасываем первый и последний этажи. В нашем случае площадь пола одного этажа составляет Рп = I • х, а площадь наружного ограждения равна периметру здания, умноженному на высоту помещений Р = рН = 2(1+х) Н, м2. Если выбрать в качестве определяющего размера ширину корпуса I, то длина здания в безразмерном виде будет равна х = х / ¿. Тогда целевая функция в безразмерном виде будет иметь вид
^ х
2(И/А)(\ + X)
Ее можно упростить, принимая в качестве постоянной величины высоту помещения Н = 3 м.
^ = 7
Рн 6Ц1 + X)
В таблице 1 для зданий различной длины при й = 5000оС сут. (г. Москва) и I = 12 м определены значения Рп/Рн, удельные тепловые потоки через наружное ограждение, удельные тепловые потоки, отнесенные к 1 м2 поверхности пола здания, и экономия энергии, рассчитанные по формулам
9огр = 0,0240/*0Рр ;
Я от = Яотр ' ;
'и
АЯогр = (Я огр - Я от)/ Яогр • 100,%
Анализ результатов расчета показывает, что при длине здания плюс бесконечность мы получаем экономию энергии 50% (х ^ <*>,?„/ ^ 2) . Но
2009
строительная теплофизика и энергосбережение
X /VFH Яогр, кВт-ч/м2 Яот, кВтч/лл2 Д<7огр -%
1 1 120 120 0
5 1,67 120 72 40
10 1,82 120 66 45
20 1,90 120 63 47
50 1,96 120 61 48
100 1,98 120 60,6 49
Годы Ввод Годы Ввод Годы Ввод
1980 59,4 1995 41,0 2002 33,8
1985 62,6 1996 34,3 2003 36,4
1990 61,7 1997 32,7 2004 41,0
1991 49,4 1998 30,7 2005 43,6
1992 41,5 1999 32,0 2006 50,6
1993 41,8 2000 30,3 2007 61,0
1994 39,2 2001 31,7 2008 63,7
За период с 1980 по 2008 г.г. введено 1448,4 млн. кв. м.
Таблица 1. Экономия энергии в зависимости от длины здания при Rep = 1 м2°С/Вт , D = 5000°С сут. (г. Москва) и L =12 м.
уже при относительной длине здания х = 10 (х = 120 м) экономия энергии составляет 45%. Таким образом, можно рекомендовать проектировщикам при ширине корпуса здания 12—14 м принимать его длину не менее 120 м.
Влияние долговечности здания на энергоэффективность
Сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов при строительстве и эксплуатации зданий в значительной мере зависит от срока службы здания. Если мы построим два здания с одинаковым уровнем теплозащиты: одно здание со сроком службы 50 лет, а другое — 150 лет, то в течение 50 лет оба здания израсходуют одинаковое количество топливно-энергетических ресурсов. За оставшиеся 100 лет здание с длительным сроком службы будет потреблять энергию только на эксплуатацию. Здание с коротким сроком службы за тот же период придется 2 раза демонтировать, утилизировать и строить заново, тратя на это дополнительную энергию. По поводу строительства зданий с коротким сроком службы 50 лет мэр г. Москвы Ю.М. Лужков сказал: «Сегодня проблема не проявляется так радикально, но, если не принять срочных мер, она будет нарастать, поэтому я сказал, что она подобно раковой опухоли и может убить весь организм» [5].
Казалось бы, что при проектировании зданий обязательно должна учитываться их долговечность для того, чтобы строить здания и сооружения с длительным сроком службы. Однако на сегодняшний день отсутствуют нормативные документы, в которых предъявляются требования к долговечности ограждающих конструкций и зданиям в целом, хотя раньше в нормах [6,7] эти требования присутствовали. Так, наружные ограждающие конструкции жилых зданий различались по степени их долговечности: I степень — со сроком службы не менее 100 лет; II степень — со сроком службы не менее 50 лет; III степень — со сроком службы не менее 20 лет.
Таблица 2. Ввод в действие жилых домов в России, млн кв. м.
По данным статистики, жилищный фонд в стране составляет около 2,8 млрд кв.м, основная часть которого (80%) сосредоточена в городах и рабочих поселках. В таблице 2 показан ввод в действие жилых домов в России за период с 1980 по 2008 годы.
Из таблицы видно, что наибольшие объемы строительства наблюдались в 1985 и 2008 г. Начиная с 1990 г. они планомерно снижались и достигли дна в 2000 г., т. е. строительство сократилось в два раза до величины 30,3 млн кв. м. После того, когда правительство особое внимание уделило жилищному строительству и разработало программу «Доступное и комфортное жилье — гражданам России», ввод жилых домов увеличился и достиг в 2008 г. 63,7 млн. кв. м.
С 1980 по 2008 г. было построено около половины существующего жилого фонда страны. В то же время количество ветхого и аварийного жилья за эти годы значительно возросло и составило более 10%. Это связано как с его приватизацией, так и передачей строительной отрасли в частные руки.
Начиная с 60-х годов прошлого века, наша страна перешла на индустриальное массовое строительство панельных зданий с коротким сроком службы (не более 30—70 лет эксплуатации). Например, в Москве ежегодно возводилось 70—80% панельных зданий от общего объема строительства.
В конце XX века произошла смена идеалов и стратегии развития строительного комплекса. К 2000 г. структура жилищного строительства претерпела радикальные изменения (рис.2). Если раньше до и после военного времени отсутствовало крупнопанельное строительство и преобладало деревянное и кирпичное, то к 1975 г. в структуре жилищного строительства доля крупнопанельного домостроения составляла 51%, а деревянного и кирпичного снизилась до 6 и 37% соответственно. В дальнейшем крупнопанельное домостроение стало преоб-
строительная теплофизика и энергосбережение
ладающим и его доля достигла 73%, в то же время традиционное строительство деревянных и кирпичных домов снизилось до 4 и 13% соответственно. Такая структурная перестройка строительства произошла без фундаментальных, подлинно научных исследований и обоснований.
За предыдущие 50 лет из панельных конструкций построено зданий примерно 1,2—1,4 млрд.кв.м. жилья, что составляет половину жилищного фонда страны. Эту часть жилищного фонда страны в последующие 50 лет необходимо демонтировать, утилизировать и построить заново. Расчеты, выполненные в работе [8], показывают, что при проектировании зданий наряду с эксплуатационными энергетическими затратами, необходимо учитывать их энергоемкость в течение длительного (более 100 лет) срока эксплуатации. Суммарные энергетические затраты, включающие эксплуатационные СЭ и строительные С^ с учетом долговечности зданий должны быть минимальными:
Осум = Q + Q = min ■
Тогда при равных эксплуатационных расходах в течение длительного времени (более 100 лет) можно сравнивать капитальные затраты зданий с различной долговечностью, выраженные в энергетических единицах. Так, расчеты, выполненные в работе [8], показали, что суммарные энергетические затраты при строительстве и эксплуатации кирпичного здания за срок службы 100 лет равны Ссумкир = 19200 кВт • ч/ м2. В то же время суммарные энергетические затраты панельного здания с учетом его демонтажа и утилизации составили Ссумпан = 24500 кВт ч/м2 . За 100 лет разница в суммарных затратах между вариантами равна 24500-19200 = 5300 кВт • ч/м2, или 28%.
При сравнении суммарных энергетических затрат кирпичного и панельного домов в течение 150 лет имеем С кир = 26500 кВт • ч/м2, С пан = 41000
сум ' сум
кВт • ч/м2 . Разница затрат между ними составляет 14500 кВт • ч/м2 или 55%.
Если энергетическую эффективность зданий оценивать с позиции увеличения объемов жилого фонда за счет строительства долговечных зданий, то, как показывают расчеты, мы имеем:
— за срок эксплуатации долговечного здания в течение 100 лет можно получить экономию по сравнению с недолговечным зданием 28%, т.е. при одинаковых затратах на строительство и эксплуатацию можно построить панельное здание площадью 1000 м2 или кирпичное — площадью 1280 м2;
— за срок эксплуатации в течение 150 лет экономическая эффективность строительства возрастает на 55%. В рассматриваемом случае можно построить здание из панелей площадью 1000 м2 или кирпичное — площадью 1550 м2.
Преимущества строительства долговечных зданий очевидны. Они состоят в том, что здания с коротким сроком службы исчезают с лица земли «как сон, как утренний туман» и ни о каком архитектурном или историческом наследии говорить не приходится. В то же самое время кирпичные города, построенные 700 и более лет назад, такие как Венеция, являются энергетически эффективными. Они радуют человеческий глаз и представляют огромное историческое и архитектурное наследие.
В своем указе №889 от 4 июня 2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» президент приказал правительству «принять меры по техническому регулированию направления на повышение энергетической и экологической эффективности» в различных отраслях и, в частности, в строительстве. Это сделано «... в целях снижения к 2020 году энергоемкости ВВП не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом». Закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» находится на доработке в Госдуме РФ и будет принят в 2009 г. Благодаря этому закону станет возможным придать энергосбережению системный характер и решить вопросы нормирования комплексного суммарного расхода энергии на строительство и эксплуатацию долговечных зданий.
Рассмотренные в статье два способа увеличения объемов жилищного строительства при неизменных затратах дают возможность только за счет правильного проектирования архитектурно-планировочных решений и увеличения долговечности зданий значительно снизить составляющую долю строительства в энергоемкости ВВП.
Список литературы
1. Губернский Ю.Д., Лицкевич В. К. «Жилище для
человека», М., Стройиздат, 1991.
2. Горомосов М.С. «Микроклимат жилищ и его ги-
гиеническое нормирование», М.: 1960.
3. СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное
освещение», М., 2004.
4. СП 23-102-2003. Естественное освещение жилых
и общественных зданий. М., 2005.
5. Из доклада Президента МАГ, мэра Москвы Ю.М.
Лужкова. Энергосбережение, №4, 2000.
6. СНиП 11-В. 4-58. Нормы проектирования ограж-
дающих конструкций.
7. СНиП 11-В.6-62.Ограждающие конструкции. Нор-
мы проектирования.
8. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос,
энергоэффективность, энергосбережение. М. «Лазурь», 2005.
388
2009
