CC BY
138
УДК 061.2
doi 10.24411/2221-0458-2020-10046
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
Анай-оол А.В., Саая С.С.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF RESIDENTIAL BUILDINGS
A.V. Anay-ool, S.S. Saaya Tuvan State University, Kyzyl
В статье раскрыта проблема энергосбережения и энергоэффективности зданий с учетом природно-климатических и социально-экономических условий Республики Тыва. Данная проблема зависит от многих факторов и включает в себя несколько способов снижения потребления энергоресурсов в системах теплоснабжения и вентиляции: архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий, использование возобновляемых источников энергии. Приведен опыт проектирования и строительства энергоэффективных зданий и применения возобновляемых источников энергии в нашей стране. Рассмотрен комплекс мероприятий по повышению энергоэффективности зданий посредством комплекса архитектурно-планировочных и конструктивных решений, наиболее подходящих для природно-климатических условий республики. Необходимо учитывать объемно-планировочные решения традиционных жилищ при выборе формы жилых зданий на этапе проектирования и использовать современные строительные и теплоизоляционные материалы для наружных ограждающих конструкций.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; теплопотери; энергоресурсы; ограждающая конструкция
This paper reveals the problem of energy saving and energy efficiency of buildings taking into account climatic and socio-economic conditions of the Republic of Tuva. This problem depends on many factors and includes several ways to reduce energy consumption in heat supply and ventilation systems: architectural planning and constructive solutions for buildings, the use of renewable energy sources. The experience of design and construction of energy efficient buildings and the use of renewable energy sources in our country is presented. A set of measures to improve the energy efficiency of buildings by means of a complex of architectural, planning and design solutions, most suitable for the natural and climatic conditions of the republic, is considered. It is
important to take into account the space-planning solutions of traditional dwellings when choosing the shape of residential buildings at the design stage, and to use modern building and thermal insulation materials for external enclosing structures.
Keywords: energy efficiency; energy saving; heat loss; energy consumption; building envelope
Под энергоэффективностью в строительстве подразумевается достижение рационального использования энергетических ресурсов. Получение максимальной энергоэффективности зданий достигается за счёт снижения теплопотерь и потребления зданиями тепловой энергии, необходимой для поддержания в помещениях требуемых параметров микроклимата. Отсюда следует, что понятие энергоэффективности неразрывно связано с вопросами энергосбережения.
Проблема энергосбережения с каждым годом становится все более актуальной. В «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» вопросы энергосбережения и энергоэффективности рассматриваются как одни из основных [1]. Ограниченность энергоресурсов, высокая стоимость энергии, негативное воздействие на окружающую среду - все эти факторы требуют от нас снижения потребления энергии, нежели постоянного увеличения ее производства.
«Отопление и электроснабжение жилых, общественных и производственных зданий в Российской Федерации обходятся очень дорого. Ежегодно расходуется до 560
млн тонн условного топлива, что составляет примерно 35 % потребляемых в стране энергетических ресурсов. Непроизводительные потери в установках генерации, транспорта, распределения тепла, в системах освещения достигает 30%» [2].
«В настоящее время в развитых странах Европы перспективным направлением является проектирование и строительство энергоэффективных зданий. Целью проектирования, строительства и эксплуатации энергоэффективных зданий является снижение энергоресурсопотребления зданий при сохранении или повышении комфортных условий микроклимата. Основными задачами явлются уменьшение негативного воздействия на окружающую среду; сокращение потребления природных ресурсов в процессе эксплуатации зданий; повышение энергоэффективности зданий»
[3].
В Европе принята следующая классификация зданий в зависимости от их уровня энергопотребления, представленная на рисунке 1. Кроме типов энергоэффективных зданий, изображенных
на гистограмме, есть еще дом с положительным энергобалансом (активный
дом) - здание, которое вырабатывает больше энергии, чем потребляет.
Рис. 1. «Классификация зданий по уровню годового потребления энергии» [3]
«СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» регламентирует проектирование, строительство и реконструкцию жилых и общественных зданий в России, направлена на снижение энергозатрат на теплоснабжение и вентиляцию зданий. Классы энергосбережения по СП 50.13330.2012» [4] представлены в таблице 1.
По нормативным требованиям СП 50.13330.2012, «не допускается
проектирование зданий с классом энергосбережения «О» и «Е»» [4]. Но большая часть жилищного фонда Республики Тыва была построена по требованиям СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника» и не отвечает действующим нормам. Поэтому для снижения теплопотерь и повышения энергоэффек-
тивности жилых зданий необходима их реконструкция. В настоящее время в нашей стране почти отсутствует строительство пассивных и активных домов и домов с нулевым энергобалансом. Так как Республика Тыва, как и большая часть территории России, имеет суровый климат по сравнению со странами Европы. В России возведены несколько
энергоэффективных жилых домов: многоквартирный дом в микрорайоне Никулино-2 в Москве, двухэтажный дом в Бутово, «энергоэффективное здание «Экодом Solar-5 во Владивостоке, около 80 коттеджей в Ленинградской области» [3]. Первый проект активного дома реализуется в Наро-Фоминском районе Московской области.
Таблица 1
«Классы энергосбережения жилых и общественных зданий в зависимости от величины отклонения расчетного значения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и
вентиляцию здания от нормируемого» [4]
Обозначение класса Наименование класса Величина отклонения расчетного значения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания от нормируемого, %
А++ Очень высокий Ниже -60
А+ От -50 до -60 включительно
А От -40 до -50 включительно
В+ Высокий От -30 до -40 включительно
В От -15 до -30 включительно
С+ Нормальный От -5 до -15 включительно
С От +5 до -5 включительно
с- От +15 до +5 включительно
D Пониженный От +15,1 до +50 включительно
Е Низкий Более +50
Особую востребованность в энергоэффективных зданиях имеет Республика Тыва в связи со сложившимися факторами:
• резко-континентальный климат (средняя температура: зимняя от -28 до -35, летняя от +18 до +28);
• высокие цены на энергоресурсы (тепловая энергия ТЭЦ, уголь, электроэнергия);
• отсутствие дополнительных мощностей в ТЭЦ;
• высокий уровень загрязнения воздуха в отопительный период (происходит от использования углеводородных ресурсов в качестве топки частным сектором);
• отсутствие альтернативного топлива.
Для увеличения класса энергосбережения строящихся и реконструируемых жилых зданий и снижения потребления энергоресурсов в системах жизнеобеспечения в основном применяются следующие мероприятия:
• улучшение архитектурно-планировочных и конструктивных решений;
• использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Целью улучшения архитектурно-планировочного и конструктивного решения является снижение теплопотерь через наружные ограждения и потребление энергии жилыми зданиями. «Теплопотери в холодный период года, связанные с архитектурно-планировочными характеристиками здания, можно существенно снизить пассивными способами: правильной ориентацией зданий с учетом
рельефа местности, сторон света, направлением ветров, выбором формы здания» [3]. При выборе формы жилого здания будет полезно изучить объемно-планировочные решения традиционных жилищ (юрты и чума), т.к. один из основных показателей энергоэффективности - показатель компактности имеет
Одним из показателей повышения энергоэффективности жилых зданий являются теплозащитные свойства наружных ограждений. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» регламентирует требования к теплозащитным свойствам наружных ограждений и предъявляет «приведенное сопротивление теплопере-
низкое значение (см. Рисунок 2) [5]. Из графика видно, что показатель компактности традиционного жилища меньше 1 при примерно одинаковом строительном объеме зданий с плавным очертанием формы. Из этого следует, что традиционное жилище характеризуется невысокими теплопотерями.
даче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых значений» [4]. Требуемые значения сопротивления теплопередаче наружных ограждений жилых зданий в условиях Республики Тыва при температуре внутреннего воздуха 22 °С представлены на рисунке 3.
_-.----------
3,17"--- --3,17
1,64____
1---- ---------- 0,81-- "—де
Здание в форме цилиндра Юрта Чум
--Объем, V, ЮОмЗ — — Показатель компактности, К, м-1--Оптимальная высота, 1юпт, м
Рис. 2. Сравнение показателей компактности
Рис. 3. «Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, м °С/Вт» [4]
Утепление наружных ограждений с применением современных теплоизоляционных материалов позволяет значительно уменьшить теплопотери зданий зимой. Кроме утепления наружных ограждений, необходимо предотвратить теплопотери через светоотражающие конструкции, так как через окна происходит большая часть теплопотерь. «Использование стеклопакетов с различным числом камер и заполнением камер инертными газами позволяет значительно уменьшить термическое сопротивление теплопередаче и теплопотери в холодный период года» [3].
В статье Лысёва В.И. и Шилина А.С. использование возобновляемых источников энергии рассмотрено как перспективное направление альтернативной энергетики в настоящее время. «Наиболее популярными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), использующимися в энергоэффективных зданиях, являются солнечные батареи и коллекторы, ветряные электростанции и тепловые насосы» [3].
«Солнечные батареи и солнечные коллекторы позволяют принимать солнечное излучение и за счет этого вырабатывать электрическую и тепловую энергию. Использование солнечной энергии является наиболее целесообразным в южных районах России, где повышенная солнечная радиация и большое количество дней солнечного сияния. Это позволяет накапливать и использовать электрическую энергию, используемую в системах вентиляции и кондиционирования, посредством солнечных батарей и аккумулировать теплоту, затрачиваемую системами отопления и горячего водоснабжения» [6].
«Ветроэнергетика - это одно из перспективных направлений обеспечения энергоэффективных зданий энергией» [7]. «В регионах с частыми ветрами применение ветрогенераторов позволяет эффективно преобразовывать энергию ветра в электрическую, которую можно использовать в системах вентиляции и кондиционирования» [3].
«Кроме солнечных батарей и ветрогенераторов, к возобновляемым источникам энергии относится
использование тепловых насосов в системах жизнеобеспечения энергоэффективных зданий» [8]. «Тепловой насос, используя хладагент, отводит тепловую энергию низкопотенциального источника теплоты (воздуха, воды, грунта) и передает ее в основном системе отопления или системе горячего водоснабжения. Комбинация систем, использующих ВИЭ, позволяет существенно снизить
потребление природных ресурсов. Использование данных систем при строительстве энергоэффективных зданий и сооружений позволяет достичь стандартов дома с нулевым потреблением энергии, а в некоторых случаях, достичь параметров дома плюсовой энергии» [3].
В условиях республики возможно частичное или совместное использование ВИЭ с учетом вышеприведенных факторов. Так как г. Кызыл на 60 % застроен частным сектором, использующим при отоплении каменный уголь, приводящий к образованию смога и значительным выбросам сажи и других продуктов сгорания угля в атмосферу. Это приводит к ухудшению качества воздуха и, соответственно, возникает опасность для здоровья жителей города. Для уменьшения вредных выбросов в атмосферу можно предпринять следующие меры:
1. Применение тепловых насосов в системе отопления - водяные теплые полы. В качестве альтернативы можно использовать электрические теплые полы.
2. Совместное использование солнечной энергии с компрессионными тепловыми насосами «воздух-вода». Уменьшение вредных веществ в атмосферу поспособствует увеличению КПД солнечных панелей и коллекторов, т.к. высокая концентрация смога в атмосфере не дает солнечным лучам пройти сквозь нее.
3. Использование котлов отопления на биотопливе (пеллеты, брикеты и т.д.), как альтернативу углю.
На основании вышеизложенного следует, что вопрос повышения энергоэффективности должен задаваться на всех этапах проектирования и учитываться при строительстве жилых зданий []:
• на этапе градостроительства: при выборе строительной площадки учитывать природно-климатические условия и экологические факторы с целью рационального использования ландшафта местности;
• на этапе проектирования: при выборе объемно-планировочных решений учитывать ориентацию по сторонам света и вопросы компактности формы зданий, а при определении конструктивных решений - возможность применения ограждающих
конструкций с низким коэффициентом теплопроводности;
• на этапе проектирования
инженерных систем: при выборе оптимального решения инженерного обеспечения учитывать вопросы использования ВИЭ и оптимизации эксплуатационных характеристик инженер-Библиографический список
1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года : Распоряжение Правительства Российской Федерацииот 9 июня 2020 г. № 1523-р / Министерство энергетики Российской Федерации. - URL: https ://minenergo. gov. ru/node/1026 (дата обращения: 15.11.2020). - Текст : электронный.
2. Плешков, С. Ю. Решение проблем энергосбережения в условиях холодного климата / С. Ю. Плешков, Л. Г. Пастухова. - Текст : непосредственный // Вестник АГТУ. - 2015. - № 2(60). - URL: https ://cyberleninka. ru/article/n/reshenie -problem-energosberezheniya-v-usloviyah-holodnogo-klimata (дата обращения: 10.11.2020). - Текст : электронный.
3. Лысев, В. И. Направления повышения энергоэффективности зданий и сооружений / В. И. Лысев, А. С. Шилин // Холодильная техника и кондиционирование. - 2017. - № 2. - URL: https ://cyberleninka. ru/article/n/napravleniya-povysheniya-energoeffektivnosti-zdaniy-i-sooruzheniy (дата обращения: 07.11.2020). -Текст : электронный.
4. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2009 / Минрегион России. - Москва, 2012. - 126 с. -Текст : непосредственный.
5. Саая, С. С. Показатель компактности традиционных жилищ кочевников / С. С. Саая. -Текст : непосредственный // JournalofResearchinTechnicalScience. - North Charleston, USA : SRC MS, CreateSpace, 2017. -Issue 6. - P. 91-93.
6. Усков, А. Е. Солнечная энергетика : состояние и перспективы / А. Е. Усков, А. С. Гиркин, А. В. Дауров // Научный журнал КубГАУ. -ScientificJournalofKubSAU. - 2014. - №98. -
• ных систем, включая систему вентиляции с рекуперацией тепла и автоматизации;
• на этапе строительства - качественное выполнение всех технологических процессов в соответствии с проектно-сметной документацией.
URL: https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnaya-energetika-sostoyanie-i-perspektivy (дата
обращения: 09.11.2020). - Текст : электронный.
7. Алехина, Е. В. Перспективы ветроэнергетики // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2013. -№12-2. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-vetroenergetiki (дата обращения: 09.11.2020). -Текст : электронный.
8. Ковалев, О. П. Особенности использования тепловых насосов в системах теплоснабжения // Научные труды Дальрыбвтуза. - 2007. - № 2. -URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-ispolzovaniya-teplovyh-nasosov-v-sistemah-teplosnabzheniya (дата обращения: 09.11.2020). -Текст : электронный.
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossijskoj Federacii na period do 2035 goda. Rasporyazhenie Pravitel'stva Rossijskoj Federaciiot 9 iyunya 2020 g. № 1523-r [Energy strategy of the Russian Federation for the period up to 2035. Order of the Government of the Russian Federation of June 2020 No. 1523-r]. Ministry of Energy of the Russian Federation. Available at: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (access date: 15.11.2020) (In Russian).
2. Pleshkov S. Yu., Pastukhova L.G. Reshenie problem
energosberezheniya v usloviyah holodnogo klimata [Solution of the issues of energy saving in conditions of cold climate]. Vestnik of ASTU. 2015. No.2 (60). Available at:
https://cyberleninka.ru/article/n/reshenie-problem-energosberezheniya-v-usloviyah-holodnogo-klimata(access date: 10.11.2020) (In Russian).
3. Lysov V.I., Shilin A.S. Napravleniya povysheniya energoeffektivnosti zdaniy i sooruzheniy [The ways to increase energy efficiency of buildings and structures]. Holodil'naya tehnika i kondicionirovanie. 2017. No.2. Available at:
https ://cyberleninka. ru/article/n/napravleniya-povysheniya-energoeffektivnosti-zdaniy-i-sooruzheniy (access date: 07.11.2020) (In Russian).
4. SP 50.13330.2012 Teplovaya zashhita zdaniy. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-02-2009 [SP 50.13330.2012 Thermal performance of the buildings. Updated edition of SNiP 23-02-2009]. Ministry of regional development of Russia. Moscow, 2012, 126 p. (In Russian)
5. Saaya S.S. Pokazatel' kompaktnosti tradicionnyh zhilishh kochevnikov [Indicator of compactness of traditional dwellings of nomads]. Journal of Research in Technical Science. North Charleston, USA, SRC MS, Create Space. 2017. Issue 6. P. 9193. (In Russian).
1. Uskov A.Ye., Girkin A.S., Daurov A.V. Solnechnaya energetika: sostoyanie i perspektivy [Solar power: state and prospects]. Nauchnyy zhurnal KubGAU [Scientific Journal of KubSAU].
2014. No. 98. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnaya-energetika-sostoyanie-i-perspektivy (access date: 09.11.2020) (In Russian).
2. AlekhinaYe.V. Perspektivy vetroenergetiki [Prospects of wind power]. Izvestiya TulGU. Tehnicheskie nauki. 2013. No.12-2. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-vetroenergetiki (access date: 09.11.2020) (In Russian).
3. Kovalev O.P. Osobennosti ispol'zovaniya teplovyh nasosov v sistemah teplosnabzheniya [Features of the use of heat pumps in heating systems]. Nauchnyye trudy Dal'rybvtuza. 2007. No. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-ispolzovaniya-teplovyh-nasosov-v-sistemah-teplosnabzheniya (access date: 09.11.2020) (In Russian)
Анай-оол Антон Викторович - магистрант инженерно-технического факультета Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: [email protected]
Саая Светлана Сергеевна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой строительства и ЖКХ Тувинского государственного университета, г. Кызыл, email: [email protected]
Anton V. Anai-ool - Undergraduate, Faculty of Engineering, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: [email protected]
Svetlana S. Saaya - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Construction and Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 29.11.2020.
