CC BY
32
УДК 728.8+620.9
ПОДХОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ РАСХОДОВ ЭНЕРГИИ В
ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ДОМАХ
Киншт А.В., доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Лопатин А.Д., магистрант
Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств
имени А.Д. Крячкова
Аннотация. В статье рассматриваются методы оптимизации расхода тепловой и электрической энергии для индивидуального жилого дома и обеспечение комфортных условий пребывания для человека. Проведен анализ энергосбережения за счет архитектурно-планировочных, конструктивных и технологических решений для минимизации тепловых потерь. Рассмотрены пути снижения потребления электрической энергии из централизованных сетей за счет локальных альтернативных источников энергии для индивидуального жилого дома, и применения технологии умного дома для автономного управления технологическими энергоэффективными решениями. Приведены три концептуальные категории энергоэффективного жилого дома.
Ключевые слова: энергосберегающая архитектура, энергосбережение, энергоэффективность, альтернативные источники энергии, альтернативные источники энергообеспечения.
Обеспечение комфорта и минимизация тепловых потерь в жилом доме должно быть оптимизировано с точки зрения использования энергии. На сегодняшний день процесс потребления энергии увеличивается, вместе с ростом цен на них, поэтому экономия энергии и наиболее эффективное ее использование стало задачей номер один при проектировании и строительстве индивидуального жилого дома.
Одним из аспектов комфорта в значительной степени определяется количеством используемой энергии, в частности микроклимата помещений. Для того чтобы поддерживать наиболее благоприятные условия комфорта в индивидуальном жилом доме и при этом затрачивать минимальное количество энергии, необходимо применять энергоэффективные решения такие как:
- Архитектурно-планировочные решения;
- Конструктивные решения;
- Использование альтернативных источников энергии.
Последовательно рассмотрим варианты архитектурно-планировочных решения, от которых во много зависит сокращение потерь тепловой энергии.
Одним из главных аспектов архитектурно-планировочной организации индивидуального жилого дома является компактная и ширококорпусная форма здания в виде квадрата на плане и с минимальным количеством выступающих элементов, что позволяет сократить потери тепловой энергии через ограждающие конструкции путем уменьшения площади наружных поверхностей. Ширококорпусная форма дома позволяет сохранять тепловую энергию более эффективно чем дома вытянутые в плане, так как за счет большего объема здание более длительное время сохраняет тепловую энергию, а в теплое время года, ширококорпусная форма здания меньше нагревается, что позволяет экономить на его охлаждении[1].
Значительные тепловые потери происходят через входы-выходы в помещения через которые при пользовании теряется значительная часть энергии. Поэтому применяются такие приемы как тамбур при входе, служащий для защиты от проникания холодного воздуха при входе в здание. Размещение защитных буферных пространству подветренной стороны в виде пристроенного гаража или зимнего сада, так же является тамбурным пространством для экономии тепловой энергии дома [2].
Ориентация дома по сторонам света так же очень важна, для наиболее полной инсоляции помещений, что способствует нагреву ограждающих конструкций и соответственно снижению тепловых потерь, а также естественному освещению помещений, что в свою очередь приводит к экономии на искусственном освещении. Наиболее эффективное размещение здания относительно сторон свет является более рациональным методом получения солнечной энергии, которую можно преобразовать как в тепловую, так и в электрическую.
Требования к комфортному микроклимату для различных помещений внутри здания могу существенно отличаться. Следовательно, с точки зрения рационального использования энергии большую роль играет внутренняя планировка и функциональное зонирование помещений. Поэтому хозяйственные помещения, требующие меньших энергозатрат, располагаются преимущественно со стороны меньшего поступления солнечной энергии. В тоже время они являются буферными пространствами, которые снижают теплопотери помещений требующих более высоких температур, для обеспечения наиболее комфортного пребывания, а именно размещение жилых помещений с более освещенной стороны, а хозяйственных с менее освещенной, что помогает наиболее выгодно использовать энергию там, где это необходимо [2].
Для пассивной концентрации тепловой солнечной энергии в конкретной части здания применяют теплоаккумулирующие массивы стен. За счет большего объема и толщины ограждающих конструкций, в комплексе с темными поверхностями из плотных материалов, такие ограждающие конструкции являются наиболее инертными с точки зрения потери тепловой
энергии, что способствует длительному охлаждению такой конструкции, тем самым обеспечивая теплом в ночное время суток.
Архитектурные решения должны рационально использовать поток солнечной энергии поступающего из окружающей среды. В частности, для северных районов, где необходимая аккумуляция тепла и освещение, ниже, чем южное и по интенсивности, и по длительности воздействия, мы должны максимально увеличить его потребление зданием. Для этого применяется максимальное остекление на южной стороне здания и минимальное на северной, способствующее более эффективному использованию солнечной энергии в ходе нагрева помещений и ограждающих внутренних конструкций для аккумулирования тепловой энергии и использованию ее в холодное время суток.
Помимо стационарных конструкций используются конструкции периодического использования такие как рольставни на оконных проемах для регулируемой защиты как в зимнее ночное время от негативных последствий отрицательных температур, путем создания буферного пространства для окон, так и в летний пик солнцестояния для уменьшения поступления тепловой энергии, так как затраты на охлаждение гораздо выше, чем на обогрев.
Тепла, поступающего из окружающей среды, явно недостаточно для благоприятного микроклимата в индивидуальном жилом доме. Поэтому существенную долю энергии, потребляемой зданием, является получаемое тепло внутри дома от разного рода нагревательных элементов таких как камины, печи, калориферы, переносные и стационарные обогреватели. Для наиболее эффективной работы нагревательных элементов их необходимо располагать в центре жилого дома, тем самым создавая тепловое ядро для всего объема помещений. Использование такого решения приводит к максимально эффективному использованию вырабатываемой тепловой энергии и наиболее равномерному нагреву всего объема здания.
Другой вариант использования солнечного тепла — это зимний сад, расположенный с солнечной стороны, так же будет является источником тепловой энергии. Использование внутреннего пространства для более рационального распределения тепловой энергии может осуществляется не только архитектурными приемами, но и планировочными, не относящихся к с строительству. Такими приемами можно назвать зимние сады пристроенные с более солнечной стороны дома, что дает эффект буферного пространства. Буферное пространство, в котором воздух прогревается до положительных температур, а в связке с вентиляционной системой, даёт приток теплого воздуха в здание, что позволяет экономить затраты на нагрев наружного воздуха для вентиляции здания [2].
Помимо конфигурации здания необходимо учитывать его расположение на местности. Со стороны преобладающих ветров теплопотери здания более высокие, прежде всего в зимний период. Снижение воздействия теплопотерь под действием ветра может способствовать ветрозащитное озеленение. А
именно посадка хвойных пород деревьев с подветренной стороны здания для защиты от преобладающих ветров, которые способствуют быстрому вымерзанию помещений через ограждающие конструкции. Такое решение должно быть заложено еще на этапе проектирования жилого дома. Озеленение так же может предотвращать избыточный нагрев здания в летний период, что особенно ярко выражено в южных регионах, путем посадки лиственных деревьев, которые в зимний период сбрасывают листву и не препятствуют попаданию солнечной энергии на ограждающие элементы здания [1].
На ряду с архитектурно-планировочными решениями так же существенное влияние на удельные тепловые потери в жилых индивидуальных зданиях оказывают их конструктивные решения. Все ограждающие конструктивные элементы здания, контактирующие с окружающей средой, непосредственно участвуют в теплообмене, и наиболее важной функцией любого ограждающего элемента будет являться энергосбережение, как от переохлаждения, так и от перегрева строительной конструкций. Рассмотрим последовательно наиболее важные конструктивные решения для экономии тепловой энергии в индивидуальном жилом доме.
Теплоизоляционная фундаментная плита позволяет не только замыкать, то есть создавать непрерывный тепловой контур для минимизации тепловых потерьв зимний период. Утепление фундамента исключает возможность промерзания грунта по всей его площади контакта с землей, что положительно сказывается на минимизации теплообмена с незамерзающими слоями земли и предотвращением больших потерь энергии в холодный период.
Самое большое пятно контакта с внешней средой, в традиционном индивидуальном жилом доме, имеют ограждающие конструкции, в которых можем выделить три элемента отличающихся по типу и свойству, такие как -стены, окна, двери.
Утепление наружных стен с применением современных теплоизолирующих материалов позволяет максимально снизить теплопотери в наиболее холодный период и уменьшить перегрев в наиболее жаркое время года. Но максимальное утепление стеновых конструкций в полной мере не решает проблему теплопотерь, так как основные потери ограждающих конструкций идут через остеклённые проемы.
Современные оконное остекление с использованием отражающих поверхностей позволяет более эффективно поглощать солнечную энергию и оставлять внутри помещения накопленную тепловыми приборами энергию. В ходе развития конструктивных систем оконных проемов, стал активно применяется инертный газ. Инертный газ, которым наполняют пространство между слоями остекления, имеет низкую теплопроводность с наружной средой, что делает такие оконные конструкции более энергоэффективными.
Через дверные проемы, контактирующие с внешней средой во время открывания, так же теряется большое количество энергии, путем залпового выветривания при открывании двери. Для минимизации тепловых потерь через
двери, для холодного климата, необходимо предусматривать тамбур помещения перед входом в обогреваемый контур здания. Тем самым создавая буферное пространство с меньшим объемом помещения для нейтрализации комфортных температур внутри здания и отрицательных снаружи. На ряду с буферным пространством широко используется тепловая завеса, которая создает барьер из теплого воздушного потока в целях энергосбережения, для предотвращения попадания больших количеств холодного воздуха в отапливаемое помещение.
На ряду со стенами крыша так же активно участвует в теплообмене. По закону конвекции теплый воздух поднимется вверх, нагревая при этом соответствующие элементы здания, а в частности поверхность потолка или кровли, что так же приводит к более активному теплообмену с окружающей средой. Усиленная теплоизоляция перекрытия и кровли существенно снижает теплопотери через крышу, и на ряду со стенами препятствует переохлаждению и перегреву конструкции [3].
На этапе проектирования так же необходимо исключить возникновения мостиков холода. Мостиками холода называют элементы постройки с повышенной теплопроводностью, контактирующие с окружающей средой. Именно через них могут происходить утечки тепла с нарушением функции теплоизолирующих конструкций, что приводит к нарушения микроклимата в здании. Для минимизации потерь тепла через такие элементы применяют дополнительные меры по теплоизоляции наиболее уязвимых к теплопотерям элементам здания. Исходя из выше сказанного, для максимального эффекта от теплоизоляции главным условием теплозащиты здания будет являться непрерывный тепловой контур в том числе и пароизоляция [1].
При проектировании жилья важно учитывать создание комфортного микроклимата, при этом минимизируя затраты и потери энергии на его поддержание. Для исключения промерзания частей конструкций, а также учитывая, что влага является отличным теплоносителем большое значение имеет пароизоляция дома она в том числе должна быть непрерывной создавая тем самым герметичную оболочку предотвращая теплопотери через естественную вентиляцию ограждающих конструкций.
В ходе утепления ограждающих конструкций тепло-ветро-влаго изоляцией, нарушается естественный процесс вентиляции помещений через ограждающие конструкции. Таким образом необходимо обеспечить циркуляцию свежего и отработанного воздуха, но при этом сделать этот процесс максимально энергоэффективным, особенно при условии большой разницы внешних и внутренних температур. За здоровый микроклимат отвечает система вентиляции, через которую в традиционных домах происходит наибольшее количество теплопотерь. Для более эффективного расхода тепловой энергии нагретого внутреннего воздуха применяют приточно-вытяжную систему вентиляции с рекуперацией тепла, что позволяет экономить более 80% тепловой энергии удаляемого воздуха [4].
Все вышеперечисленные приемы по сохранению энергии обеспечивают лишь минимизацию потерь. А основными источниками получение энергии до недавнего времени были только теплоцентрали, электросети и индивидуальные системы отопления на твердом, жидком и газообразном топливе. Развитие технологий упрощают процесс производства и эксплуатации, делая альтернативные источники энергии более доступными и экономически целесообразным для потребителей, поэтому использование современных технологий для производства альтернативной энергии становится неотъемлемой частью энергоэффективного жилого дома, которые позволяют в меньшей степени зависеть от общего энергообеспечения. К таким источникам относятся преобразование солнечной и ветровой энергии в электроэнергию,а также использование тепла земли. Их более широкое использование в последнее время обусловлено упрощением конструкций и снижение себестоимости получения энергии как показано на рисунке 1.
Рис 1. Динамика снижения цен на солнечные батареи с 1977-2015 гг.
Рассмотрим наиболее распространенные технологические решения.
Одним из наиболее значимых источников альтернативной энергии является солнечное тепло. Для более интенсивного нагрева воды, по возможностью для более эффективного результата в комплексе с грунтовым теплообменником, применяют солнечные коллекторы с установкой на солнечной стороне кровли или фасада [5].
Солнечную энергию можно использовать как тепловую, так и преобразовывать в электрическую при использовании солнечных
фотоэлементов или солнечных панелей. Такой метод более эффективен для местности с наибольшим солнцестоянием, но требует дополнительных вложений на оборудования для аккумулирования энергии, на момент отсутствия солнечной энергии в ночное или пасмурное время.
Для того, чтобы снизить затраты энергии на подогрев или охлаждение воды в зависимости от условий эксплуатации применяют грунтовый теплообменник в том числе и для рекуперационной установки системы вентиляции здания, за счет разности окружающих температур и внутреннего тепла земли, поступаемого в здание воздуха [1].
На ряду с солнечной, так же используют и ветровую энергию с применение ветрогенераторов преобразующих ветровую энергии в электрическую. На ряду с солнечными фотоэлементами такое решение требует дополнительных мер для аккумулирования энергии в виду эпизодического появления как ветровой, так и солнечной энергии.
Для того чтобы более эффективно использовать расходуемою из электросетей сетей и аккумулируемую из альтернативных источников энергию, применяют системы умного дома. Такие системы представляют собой автоматизированный комплекс управления технологическими процессами направленные на энергосбережение и рациональное использование энергии, так как большое количество разнообразных систем требует автоматизированного и системного подхода в ходе эксплуатации. В результате оптимизации работы систем умного дома в благоприятный период можно существенно экономить затраты как на тепловую, так и на электрическую энергию[6].
Также необходимо отметить, что использование современных энергосберегающих осветительных приборов и бытовой техники с низким энергопотреблением приводит к уменьшению использования энергетических затрат электросетей.
Выделяют три категории по соотношению выделяемой энергии от альтернативных и потребляемой от традиционных источников энергии. Такие Энергоэффективные дома с низким потреблением энергии можно отнести к трем концептуальным категориям по соотношению выделяемой энергии от альтернативных,и потребляемой от традиционных источников энергии.
1. Концепция пассивного дома - это дом, в котором годовой расход тепловой энергии не превышал бы 15 кВтч/(м2 * год) с применение энергоэффективных архитектурно-планировочных и конструктивных систем для максимальной минимизации тепловых потерь.
2. Концепция здания с нулевым энергопотреблением - использует тот же принцип что и концепция пассивного дома, но с применением систем выработки альтернативной энергии. Таким образом затраты на эксплуатацию такого дома сводятся к нулю, за счет выработанной альтернативной энергии, объема которой достаточно для оптимального функционирования всех систем в жилом доме.
3. Концепция активного дома - базовым принципом такого дома является объединение пассивного дома и дома с нулевым энергопотреблением, а также систем умного дома. Здания такой концепции тратят минимум энергии на собственную эксплуатацию, в дополнении к этому, они еще и вырабатывают энергию в таких количествах , что могу поставлять ее в сети центрального энергоснабжения, за что в большинстве стран можно получать деньги [7].
Все вышеперечисленные пути и методы экономии и выработки энергии по отдельности не решат проблему сокращения потребляемой энергии. Если до применения альтернативных источников энергии мы могли экономить только лишь за счет архитектурно-планировочных и конструктивных решений, то в ходе технологического развития становится все более доступно и экономически оправдано применение альтернативных источников получения как тепловой, так и электрической энергии. Поэтому в случае комплексного подхода с применением каждого пути решения можно добиться существенного снижения потерь энергии как на этапе строительстве, так и при эксплуатации такого энергоэффективного жилого дома. Так же не мало важную роль играет тот факт, что все эти методы являются экологичными, без ущерба и вреда окружающей среде, что делает пребывание человека в таком доме еще более комфортным и экологичным.
Библиографический список
1. Технологии строительства и реконструкции энергоэффективных зданий/ Г. М. Бадьин, С. А. Сычев,Г. Д. Макаридзе. — СПб.: БХВ-Петербург, 2017.
2. Экодом в Сибири / И.А. Огородников, О.Н. Макарова, Е.С. Дубынина. Новосибирск - 2000.
3. Васильев Г. П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 // АВОК. 2002. № 4.
4. Молодкин С. А. Принципы формирования архитектуры энергоэффективных высотных жилых зданий [Электронный ресурс]: дис. ... канд. архитектуры : 18.00.02 / С. А. Молодкин. — М.: РГБ, 2007.
5. Учебное пособие. Архитектура малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии: учебное пособие по проектированию / О.К. Маркова, М: Полиграфия МАРХИ, 2014.
6. Ильин В. В. Энергоэффективное управление зданиями с помощью автоматизированных систем / АВОК № 3, 2010.
7. Гертис К. Здания XXI века — здания с нулевым потреблением энергии / Энергосбережение № 3/2007.
APPROACHES TO OPTIMIZING ENERGY CONSUMPTION IN
INDIVIDUAL RESIDENTIAL BUILDINGS
Kinst A.V., Doctor of Agricultural Sciences, Professor
Lopatin A.D., MA Student
Kryachkov Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts
Abstract.. The article discusses methods for optimizing the consumption of heat and electricity for an individual residential building and providing comfortable living conditions for a person. The analysis of energy saving due to architectural and planning, design and technological solutions to minimize heat losses is carried out. Ways to reduce the consumption of electric energy from centralized networks due to local alternative energy sources for individual residential homes, and the use of smart home technology for Autonomous management of technological energy-efficient solutions are considered. Three conceptual categories of energy-efficient residential buildings are presented.
Keywords: energy-saving architecture, energy saving, energy efficiency, alternative energy sources, alternative sources of energy supply.
