CC BY
12Энергоэффективные технологии домостроения в условиях динамически изменяющегося климата
о ы
а
s
«
а б
Мотулевич Андрей Владиславович
кандидат технических наук доцент, Московский энергетический институт (НИУ МЭИ), anders2000@bk.ru
В работе показано, что значительная доля в застройке малых и средних городов принадлежит домам индивидуальной застройки. За последние годы их строительство получило активное развития за счет пластичности и разнообразия архитектурных форм, композиционных решений, индивидуальной выразительности домов, учета особых желаний и потребностей их владельцев. Вместе с тем, удельное энергопотребление для домов индивидуальной застройки может составлять свыше 400 кВтч/(м2/год), однако в то же время, существует проблема необходимости обеспечения. Существенные затраты энергии, необходимые как на возведение домов, так и на их эксплуатацию в течение всего жизненного цикла, определяют экономическую составляющую внедрения инновационных энергоэффективных мероприятий. Анализ энергетических, экологических и экономических показателей индивидуальных домов дает возможность выбора рациональных вариантов, которые касаются наружных ограждающих конструкций и систем вентиляции. Разработка проектных решений энергоэффективного жилья и системы управления параметрами энергосбережения на всех этапах жизненного цикла здания определяет концепцию интегрированного проектирования низкоэнергетических домов. Минимальные значения эксплуатационных расходов достигаются для низкоэнергетического дома с механической вентиляцией при величине первичной энергии на уровне 40 кВт.ч/(м2 год). Ключевые слова: энергетическая эффективность, строительство домов, изменение климата, альтернативная энергетика, возобновляемые источники.
Постановка проблемы. Основными проблемами в жилищно-коммунальном секторе являются повышенные затраты энергии, значительная эмиссия парниковых газов и несоответствие внутреннего микроклимата помещений общепринятым нормам комфорта. При этом большая часть тепловой энергии расходуется на отопление (70...87%), поэтому в мировом строительстве сохраняется тенденция к снижению количества использования энергии зданиями и сооружениями в течение всего жизненного цикла. Повышение энергоэффективности строительного сектора обеспечивается путем разработки и реализации проектов низкоэнергетических домов.
Анализ литературных источников. Строительство домов высокой энергоэффективности (потребность в энергии на отопление менее 75 кВтч/(м2/год)) и пассивных домов (теплопотери на отопление менее 15 кВтч/(м2/год)) в странах ЕС уже является признанным стандартом [2, с. 256]. Минимизация использования первичной энергии и влияния на окружающую среду, что определяется принципами устойчивого развития, побуждает к поискам новых концептуальных подходов в строительстве, к которым можно отнести проектирование и последовательную реализацию с учетом перспектив развития домов «ноль тепловой энергии» (nearly zero energy building - nZEB), домов «ноль тепловой энергии» и «ноль электрической энергии», активных домов (active house), Smart-Grid-0-Energy зданий («умные дома ноль энергии») [1, с. 44].
С принятием директивы 2002/91/WE EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) и изменений в Директиве 2010/31/EU, касающиеся энергетической характеристики зданий, возведения с 2021 года на территориях Европейского Союза домов только с очень низкой потребностью в энергии (nZEB) является обязательным условием [6, с. 178]. В основе их проектирования заложены три основных принципа: низкие энергетические потребности, использование возобновляемых источников энергии, сокращение выбросов парниковых газов [4, с. 192]. Низ-
кое потребление таких домов достигается за счет высокого уровня изоляции, использованием энергоэффективных окон, высокого уровня герметичности и искусственной вентиляции с рекуперацией теплоты [3, с. 121]. Требования к зданиям нулевой энергии (nZEB) должны также включать почти нулевую эмиссию углекислого газа - ниже 3 кг С02/(м2/год). При этом необходимо решать вопрос об экономической целесообразности внедрения конструктивных и технических решений [7, с. 492].
Директива 2010/31/EU, поправка к директиве EPBD предусматривает, чтобы минимальные требования к энергетическим характеристикам зданий были установлены при достижении экономически оптимальных уровней (cost-optimal levels) для зданий, строительных изделий и строительных элементов [5, с. 32]. Основной характеристикой, определяющей экономически оптимальный уровень энергетической эффективности, являются затраты первичной энергии. Учитывая весь жизненный цикл здания, эксплуатационные расходы энергии выше, чем расходы на строительство и модернизацию.
Цель работы. Целью работы является оценка энергетических и экономических показателей домов индивидуальной застройки разного уровня теплозащиты в направлении интегрированного проектирования низкоэнергетических строительных объектов по критериям энергоэффективности и оптимальной стоимости.
Материалы и методы. Для определения оптимальных энергетических и экономических показателей на первом этапе в качестве имитационной модели исследования выбран индивидуальный жилой дом отапливаемой площадью 200 м2. Снижение потребления энергии здания тесно связано с теплоизоляцией наружных ограждающих конструкций и применением современных технологических установок. Для анализа выбраны три типа домов: стандартный, энергосберегающий и низкоэнергетический. Энергетические характеристики наружных ограждающих конструкций вариантов домов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Коэффициенты теплопередачи наружных ограждающих
Тип дома Стены, Вт/(м2К) Окна, Вт/(м2К) Двери, Вт/(м2К) Перекрытия, Вт/(м2К)
Стандартный дом, ББ 0,3 2,6 2,6 0,25
Энергосберегающий дом, ББ 0,2 1,8 1,8 0,18
Низкоэнергетический дом, Б1_ 0,1 1,0 1,0 0,11
В качестве метода для оценки экономической эффективности изменение Директивы БРБР
рекомендует использовать потребление энергии как величину для прогнозирования поведения долгосрочных проектов, что дает возможность анализировать рост и уменьшение эксплуатационных расходов на момент начала проекта. Расчет энергии проводят на основе метода расчета общей стоимости, который включен в стандарт БЫ 15459.
Расчет экономической эффективности можно осуществлять с общей стоимостью энергоэффективности зданий: -
з 1=»
^л® _ общие затраты в течение первого
где года тп;
С* - первоначальные затраты;
О - годовая стоимость энергетической безопасности здания (затраты на электроэнергию, эксплуатационные расходы, периодические ремонты и замены, расходы на техническое обслуживание);
- дисконтная ставка (в зависимости от процентной ставки);
- конечная стоимость ] (отнесена к первому году включая все затраты для данного варианта.
Для оптимизации энергетических и экономических показателей индивидуального дома с целью получения максимальной экономической эффективности проведено экспериментально-статистическое моделирование.
Основные результаты исследования. Особенностью индивидуальных домов является возможность использования различных видов топлива на отопление - уголь, газ, твердое и жидкое топливо, электрические котлы и тепловые насосы, возобновляемые источники энергии. В рассматриваемых домах рассмотрены два варианта вентиляции - гравитационная и механическая с рекуперацией теплоты 95%.
Энергетическая эффективность дома определяет необходимое количество первичной энергии для обеспечения потребностей, связанных с эксплуатацией здания. С целью оптимизации эксплуатационных расходов в зависимости от энергетических и экологических показателей для различных типов индивидуальных домов (стандартного, энергосберегающего и низкоэнергетического) с отапливаемой площадью 200 м2 с различными источниками энергии с гравитационной и механической вентиляцией рассчитано потребление первичной энергии ЕР, конечной энергии БК и полезной энергии.
Полезная энергия включает в себя потери тепловой энергии через ограждающие конструкции, энергию, необходимой для горячей воды, кондиционирования и механической вентиля-
О В
I»
£
55 т П Н
о ы
а
ции. Конечная энергия учитывает дополнительно эффективность системы отопления и подготовку горячей воды. Первичная энергия, в отличие от конечной энергии, включает потери на производство и передачу энергии и показывает влияние здания на окружающую среду.
Потребность в первичной энергии в зависимости от типа топлива и вида вентиляции для домов, которые характеризуются разными параметрами внешних ограждающих конструкций, показана на рис. 1.
KKI ISO
100 N1
It
III III III III I» II III
Л
■ cmuBpiHIIfl
' шргшффйпнн
f У
A-
i ннзкдомерпгптскни
5
«
a
6
Рисунок 1 - Энергетические показатели индивидуальных домов с использованием гравитационной и механической вентиляции и разных видов топлива
Для стандартного дома (коэффициент теплопередачи наружных стен и = 0,30 Вт/(м2К)) с использованием естественной вентиляции значение первичной энергии ЕР в зависимости от типа источника тепла колеблется от 175,48 до 45,35 кВтч/(м /год), и с использованием механической вентиляции - соответственно от 63,6 до 51,2 кВтч/(м2/год).
Энергосберегающий дом (коэффициент теплопередачи наружных стен и = 0,20 Вт/(м2/К)) с гравитационной вентиляцией характеризуется значением первичной энергии ЕР в зависимости от типа источника тепла от 155,90 до 43,5 кВтч/(м /год) и с механической вентиляцией в соответствии от 52,94 до 31,2 кВтч/(м2/год). Для низкоэнергетических домов при наличии гравитационной вентиляции значение первичной энергии ЕР в зависимости от типа источника тепла колеблется от 128,25 до 42,1 кВтч/(м /год), за счет использования механической вентиляции достигается снижение потребности энергии до 52,94 - 31,2 кВтч/(м2/год).
Для анализа влияния параметров внешних стен различных типов домов и потребление ими первичной энергии ЕР на эксплуатационную стоимость использован метод экспериментально-статистического моделирования, что дает возможность получить графическое описание модели. Согласно плану двухфакторного трехуровневого эксперимента, приняты интервалы варьирования переменных факторов для различных типов домов: коэффициент теплоотдачи
U наружных непрозрачных ограждающих конструкций стандартного, энергоэффективного и низкоэнергетического (X1 соответствии с табл. 1) и потребления первичной энергии EP (X2 = 30, 45, 60 кВтч/м2год).
На основе результатов расчетов получена математическая модель влияния параметров внешних стен индивидуальных домов и расходов в них первичной энергии EP при использовании механической вентиляции на эксплуатационные расходы Умех [PLN/год] в виде уравнения регрессии:
= 1153,3 + Щ№, + 30ДЙГ, - й,75ВД + адш? + 450,0оЛ'|
Для домов отапливаемой площадью 200 м с механической вентиляцией в заданном интервале переменных минимум эксплуатационных расходов Ymin=1128,33 PLN/год получено для низкоэнергетического дома с ЕР = 40 кВтч/м2 год, максимальное значение средств Ymax=1837,08 PLN/год - для стандартного дома, соотношение Ymax/Ymin = 1,63. Графический анализ влияния переменных факторов на величину эксплуатационных расходов зданий с использованием механической вентиляции показано на рис. 2. Отсюда видно, что минимальные значения эксплуатационных расходов достигаются для низкоэнергетического дома с величиной первичной энергии на уровне 40...45 кВт.ч/(м2/ год). В то же время, при переходе к пассивному дома наблюдается рост эксплуатационных расходов на 30%.
Экономическая эффективность внедрения энергосберегающих технических и инженерно-конструктивных решений зависит от потребности в энергии на отопление дома, величины вложенных инвестиций, а также в значительной степени от стоимости энергоносителей. Одним из важных показателей является срок окупаемости или простой время возврата средств SPBT (Simple Pay Back Time). Срок окупаемости - это время в годах, необходимое для возврата вложенных в проект инвестиций.
где E - годовой экономический эффект, руб.; I - инвестиционные затраты, руб.
В условиях Российской Федерации при современном состоянии ценовой политики на энергоносители для населения важное значение имеет проведение оценки энергетической эффективности разных типов домов. Использование различных параметров ограждающих конструкций индивидуальных домов позволяет достичь годовой экономии средств на отопление дома в течение года за счет уменьшения потребления энергии на отопление и снижение цены за 1 м3 природного газа, что зависит от годового объема потребления природного газа.
'.кНI I 1' Гч2 I II
Рисунок 2 - Эксплуатационные расходы зданий с механической вентиляцией в зависимости от параметров внешних непрозрачных конструкций и первичной энергии ЕР
На основе анализа математических моделей срока окупаемости капиталовложений для проектирования энергосберегающего дома с классом энергоэффективности выше С при гравитационной системе вентиляции оптимальным по энергетическим (дбуд=75,16 кВтч/м2год), экологическими (эмиссия С02=842 м3/год) и экономическим параметрам (1=165,394 тыс. руб., Ток=30 лет) является вариант с применением системы фасадной теплоизоляции с коэффициентом теплопередачи наружных стен ист=0,2 Вт/м2К и окон с коэффициентом теплопередачи ивк=1,7 Вт/м2К.
При замене гравитационной системы вентиляции с рекуперацией тепла 70% достигается меньший срок окупаемости при меньших инвестициях по сравнению с проектами с гравитационной системой вентиляции. Вариант проекта низкоэнергетического индивидуального жилого дома с применением системы фасадной теплоизоляции с коэффициентом теплопередачи наружных стен ист=0,2 Вт/м2К и окон с коэффициентом теплопередачи ивк=1,7 Вт/м2К при замене системы вентиляции на механическую с рекуперацией тепла характеризуется низкими энергетическими ^буд = 17,83 кВтч/м2 год) и экологическими (эмиссия С02=252 м3/год) параметрами при сроке окупаемости Ток=21 год (1=111,396 тыс. руб.). Если цены на энергоносители продолжат расти, срок окупаемости внедрения строительно-инсталляционных систем соответственно будет уменьшаться, а тем самым уменьшится и время возврата инвестиций.
Выводы. Анализ энергетических, экологических и экономических показателей индивидуальных домов дает возможность выбора рациональных вариантов, которые касаются наружных ограждающих конструкций и систем вентиляции. Разработка проектных решений энергоэффективного жилья и системы управления параметрами энергосбережения на всех этапах жизнен-
ного цикла здания определяет концепцию интегрированного проектирования низкоэнергетических домов. Минимальные значения эксплуатационных расходов достигаются для низкоэнергетического дома с механической вентиляцией при величине первичной энергии на уровне 40 кВт.ч/(м2 год).
Литература
Горшков А.С., Миронов Н.А. Внедрение энергоэффективных технологий в жилищное строительство // В сборнике: Прикладные исследования и технологии ART2015 сборник трудов Второй международной конференции. 2015. С. 4345.
Демидова А.Г., Воловник Н.С., Грехнева Е.А. К вопросу об энергоэффективности и энергосбережению возводимых зданий и сооружений // В сборнике: Архитектура, строительство, транспорт материалы Международной научно-практической конференции (к 85-летию ФГБОУ ВПО "СибАДИ"). 2015. С. 252-258.
Карасев Д.О., Шипилова Н.А., Арутунян М.С. Малоэтажное строительство. Виды строительных материалов для возведения зданий // Интернет-журнал Науковедение. 2016. Т. 8. № 3 (34). С. 121.
Комаров А.К., Филоненко Е.А. Влияние вида стенового материала на технико-экономические показатели строительства малоэтажного дома // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 8 (103). С. 188-197.
Лапина О.А., Лапина А.П. Энергоэффективные технологии // Инженерный вестник Дона. 2015. Т. 34. № 1-2. С. 32.
Радыгин С.Н. Энергоэффективность при проведении капитального ремонта многоквартирных домов // Научное обозрение. 2015. № 2. С. 176-179.
Степанова Л.Р., Катяков В.В. Системы ОВК одноквартирного энергосберегающего жилого дома // В сборнике: Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции материалы III Международной (IX Всероссийской) конференции. 2016. С. 487-495.
Energy-efficient housing technologies in a dynamically
changing climate Motulevich A.V.
Moscow Power Engineering Institute
The paper shows that a significant proportion of the development of small and medium-sized cities belongs to individual buildings. In recent years, their construction has been actively developed due to the plasticity and diversity of architectural forms, composite solutions, individual expressiveness of houses, taking into account the special desires and needs of their owners. At the same time, the specific energy consumption for individual building houses can be more than 400 kWh / (m2 / year), but at the same time, there is a problem of the need for provision. Significant energy costs, necessary both for the construction of houses and their operation throughout the entire life cycle,
О R U
£
R
n
determine the economic component of introducing innovative energy efficient measures. Analysis of the energy, environmental and economic indicators of individual houses provides an opportunity to choose rational options that relate to external walling and ventilation systems. The development of design solutions for energy-efficient housing and a system for managing energy-saving parameters at all stages of the building life cycle defines the concept of integrated design of low-energy houses. The minimum values of operating costs are achieved for a low-energy house with mechanical ventilation at a primary energy level of 40 kWh / (m2 year).
Keywords: energy efficiency, construction of houses, climate change, alternative energy, renewable energy sources.
References
Gorshkov A.S., Mironov N.A. Vnedreniye energoeffektivnykh tekhnologiy v zhilishchnoye stroitel'stvo // V sbornike: Prikladnyye issledovaniya i tekhnologii ART2015 sbornik trudov Vtoroy mezhdunarodnoy konferentsii. 2015. S. 43-45.
Demidova A.G., Volovnik N.S., Grekhneva Ye.A. K voprosu ob energoeffektivnosti i energosberezheniyu vozvodimykh zdaniy i sooruzheniy // V sbornike: Arkhitektura, stroitel'stvo, transport materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (k 85-letiyu FGBOU VPO "SibADI"). 2015. S. 252-258.
Karasev D.O., Shipilova N.A., Arutunyan M.S. Maloetazhnoye stroitel'stvo. Vidy stroitel'nykh materialov dlya vozvedeniya zdaniy // Internet-zhurnal Naukovedeniye. 2016. T. 8. № 3 (34). S. 121.
Komarov A.K., Filonenko Ye.A. Vliyaniye vida stenovogo materiala na tekhniko-ekonomicheskiye pokazateli stroitel'stva maloetazhnogo doma // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2015. № 8 (103). S. 188-197.
Lapina O.A., Lapina A.P. Energoeffektivnyye tekhnologii // Inzhenernyy vestnik Dona. 2015. T. 34. № 1-2. S. 32.
Radygin S.N. Energoeffektivnost' pri provedenii kapital'nogo remonta mnogokvartirnykh domov // Nauchnoye obozreniye. 2015. № 2. S. 176-179.
Stepanova L.R., Katyakov V.V. Sistemy OVK odnokvartirnogo energosberegayushchego zhilogo doma // V sbornike: Novoye v arkhitekture, proyektirovanii stroitel'nykh konstruktsiy i rekonstruktsii materialy III Mezhdunarodnoy (IX Vserossiyskoy) konferentsii. 2016. S. 487-495.
Q U
a
s
«
a б
