CC BY
14
УДК 332.8
doi 10.24411/2221-0458-2024-06-18
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, оптимизация систем обеспечения микроклимата. Приведены примеры отечественного опыта проектирования и строительства энергоэффективных зданий и применения возобновляемых источников энергии, а также методов оптимизации систем обеспечения микроклимата зданий. Рассмотрен комплекс мероприятий по повышению энергоэффективности зданий посредством комплекса архитектурно-планировочных и конструктивных решений, наиболее подходящих для природно-климатических условий республики. Обоснована необходимость учета объемно-планировочных решений традиционных жилищ при выборе формы жилых зданий на этапе проектирования и использование современных строительных и теплоизоляционных материалов для наружных ограждающих конструкций.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; теплопотери; энергоресурсы; ограждающая конструкция
In this article the problem of energy saving and energy efficiency of buildings in the climatic and socio-economic conditions of the Republic of Tuva is reviewed. This problem depends on numerous 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, optimization of microclimate systems. A set of measures to improve the energy efficiency of buildings by means of a complex of architectural, planning and constructive 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 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 подразумевают достижение рационального использования энергетических ресурсов. Получение максимальной энергоэффективности зданий достигается за счёт снижения теплопотерь и потребляемой зданиями тепловой энергии, необходимой для поддержания в помещениях требуемых параметров микроклимата при
соответствующем технико-экономическом обосновании внедряемых мероприятий и обеспечении безопасности. Отсюда следует, что понятие энергоэффективности неразрывно связано с вопросами энергосбережения.
Проблема энергосбережения с каждым годом становиться 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. т. 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 Европейского союза
перспективным направлением является проектирование и строительство энергоэффективных зданий или, так называемое «зеленое строительство». Зеленое строительство - метод проектирования, строительства и эксплуатации зданий, целью которого
является снижение энерго- и ресурсопотребления зданий и сооружений при сохранении или повышении комфортных условий микроклимата. К задачам, решаемым посредством зеленого строительства, относятся уменьшение негативного воздействия на окружающую среду; сокращение потребления природных ресурсов в процессе эксплуатации зданий; повышение энергетической эффективности зданий и сооружений» [3].
Европейская классификация жилых зданий по энергоэффективности
представлена несколькими типами (см. рисунок 1). Кроме представленных на рисунке 1 энергоэффективных зданий, существует такой тип жилого здания, который вырабатывает больше энергии, чем потребляет — так называемый «дом плюсовой энергии».
Рис. 1. Классификация зданий по уровню годового потребления энергии [3]
В Российской Федерации
проектирование, строительство и реконструкция зданий регламентируется требованиями СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [4]. СП 50.13330.2012
направлен на снижение энергозатрат на теплоснабжение и вентиляцию жилых зданий и дает следующую классификацию энергосбережения (см. Таблица 1.)
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 [5]
Обозначение класса Наименование класса Величина отклонения расчетного значения удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания от нормируемого, %
А-н- 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
Б Пониженный От +15,1 до +50 включительно
Е Низкий Более +50
Согласно требованиям СП 50.13330.2012, «не допускается проектирование зданий с классом энергосбережения «Л» и «Е»» [4]. Однако большинство эксплуатируемых жилых зданий в Республике Тыва были построены по требованиям действующих на тот момент нормативных документов, которые не отвечают в полной мере действующим сегодня нормам, поэтому для повышения их энергоэффективности, необходима
реконструкция. В настоящее время в нашей стране практически отсутствует такое направление, как «зеленое строительство», развитое в европейских странах. Это объясняется суровыми климатическими условиями в Республике Тыва и значительной части России. «На
сегодняшний день разработаны несколько проектов экспериментальных энергоэффективных жилых домов -энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 в Москве, энергоэффективное здание «Экодом Solar-5 во Владивостоке, энергоэффективный дом в Санкт-Петербурге» [3].
Особую востребованность в энергоэффективных зданиях имеет Республика Тыва в связи со сложившимися факторами:
• резко-континентальный климат (средняя температура зимой от -28 до -35, летом 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);
• оптимизация систем обеспечения микроклимата зданий.
Архитектурно-планировочные и конструктивные решения. Актуальной на сегодня задачей является экономия энергоресурсов, и, соотвественно, снижение энергопотребления жилыми зданиями.
«Теплопотери в холодный период года, в первую очередь, связаны с архитектурно-планировочными и конструктивными решениями ограж-дающих конструкций зданий, а именно теплозащитными свойствами строительных материалов, из которых возведены ограждающие конструкции. Теплопотери в холодный период года, связанные с архитектурно-планировочными характ-еристиками
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 низкое значение (см. рисунок 2) [5]. Из графика видно, что показатель компактности традиционного жилища меньше 1 при примерно одинаковом строительном объеме зданий компактной формы с плавным очертанием. Из этого следует, что традиционное жилище характеризуется невысокими тепло-потерями.
Здание е форме цилиндра
Юргэ
4vm
■ Объем, у, ]00м3 —•—показатель компактности, к, лл-1
■ Ом шил «пили высота, Ьопт, м
Рис. 2. Сравнение показателей компактности
Кроме архитектурно-планировочных показателей, важную роль играют теплозащитные свойства ограждающих конструкций. Нормативные требования к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций регламентируются СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. СП 50.13330.2012 предъявляет следующее требование: «приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых значений» [4]. Требуемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций жилых зданий в условиях Республики Тыва при температуре внутреннего воздуха 22 °С представлены на рисунке 3.
Утепление наружных ограждающих конструкций с применением современных теплоизоляционных материалов позволяет существенно уменьшить теплопотери зданий в холодный период года. Помимо утепления наружных ограждений, важную роль в предотвращении теплопотерь играют светопрозрачные конструкции, т.к. 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.
Рис. 3. Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, м2°С/Вт
Использование возобновляемых источников энергии. «Альтернативная энергетика в настоящее время является перспективным направлением, постепенно заменяя использование углеводородов в развитых странах. 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 использование ветрогенераторов позволяет
преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию, которую можно использовать в системах вентиляции и кондиционирования.
«Кроме солнечных батарей и ветрогенераторов, к возобновляемым
источникам энергии относятся тепловых насосы в системах жизнеобеспечения энергоэффективных зданий» [8]. «Тепловой насос 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» [10].
В условиях Республики Тыва возможно частичное или совместное использование ВИЭ с учетом вышеприведенных факторов. 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 будет способствовать 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.
Оптимизация систем обеспечения микроклимата зданий. Кроме
архитектурно-планировочных и конструктивных решений и использования ВИЭ, основной инженерной задачей является оптимизация систем обеспечения микроклимата.
«Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха - наиболее крупные потребители тепловой энергии, они потребляют до 40 % добываемого в стране твердого и газообразного топлива и до 10 % производимой электрической энергии» [10]. Снижения потребления энергоресурсов и повышения
энергоэффективности зданий, по мнению Лысёва В.И. и Шилина А.С., можно достичь при помощи использования следующих методов (см. рисунок 4) в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
Рис. 4. Методы снижения потребления энергоресурсов и повышения энергоэффективности
зданий [3]
На основании вышеизложенного следует, что повышение энергоэффективности должно задаваться на всех этапах проектирования и строительства жилых зданий [11]:
• на этапе градостроительства: при выборе строительной площадки необходимо учитывать природно-климатические условия и экологические факторы с целью рационального использования ландшафта местности;
• на этапе проектирования: при выборе объемно-планировочных решений нужно 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 важно учитывать вопросы использования ВИЭ и оптимизации эксплуатационных характеристик инженерных систем, включая систему вентиляции с рекуперацией тепла и автоматизации;
• на этапе строительства -качественное выполнение всех технологических процессов в соответствии с проектно-сметной документацией.
Библиографический список
1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года : Распоряжение Правительства Российской Федерации от 9 июня 2020 г. № 1523-р. Текст - электронный // Министерство энергетики Российской Федерации. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения: 15.11.2020).
2. Плешков С.Ю., Пастухова Л.Г. Решение проблем энергосбережения в условиях холодного климата // Вестник АГТУ. 2015. №2 (60). URL: https:/ / cyberleninka.ru/ article/n/reshenie-problem-energosberezheniya-v-usloviyah-holodnogo-klimata (дата обращения: 10.11.2020).
3. Лысёв В.И., Шилин А.С. Направления повышения энергоэффективности зданий и сооружений // Холодильная техника и кондиционирование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/napravleniy a-povysheniya-energoeffektivnosti-zdaniy-i-sooruzheniy (дата обращения: 07.11.2020).
4. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2009 / Минрегион России. М., 2012. 126 с.
5. Саая С.С. Показатель компактности традиционных жилищ кочевников //
Journal of Research in Technical Science. North Charleston, USA: SRC MS, CreateSpace. 2017. Issue 6. P. 91-93.
6. Усков А.Е., Гиркин А.С., Дауров А.В. Солнечная энергетика: состояние и перспективы // Научный журнал КубГАУ - Scientific Journal of KubSAU. 2014. № 98. URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnay a-energetika-sostoyanie-i-perspektivy (дата обращения: 09.11.2020).
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).
8. Ковалев О.П. Особенности использования тепловых насосов в системах теплоснабжения // Научные труды Дальрыбвтуза. 2007. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti -ispolzovaniya-teplovyh-nasosov-v-sistemah-teplosnabzheniya (дата обращения: 09.11.2020).
9. Овчаров П.В., Садыков Р.А. Применение тепловых насосов в энергосберегающем комплексе // Известия КазГАСУ. 2012. №2 (20). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-teplovyh-nasosov-v-
energosberegayuschem-komplekse (дата обращения: 09.11.2020).
10. Бродач М.М., Ливчак В.И. Здание с близким к нулевому энергетическим балансом // АВОК. 2011. № 5. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php? nid=4973 (дата обращения: 09.11.2020).
11. Моделирование результатов инновационных энергосберегающих решений в области строительства индивидуальных жилых домов / Р.М. Сиразетдинов, Е.А. Добросердова, А.Р. Мавлютова, Э.Н. Латыпов, А.Г. Гурьева // Известия КГАСУ : [сайт]. 2015. № 3(33) С. 230-239. URL: https://izvestija.kgasu.ru/files/3_2015/230_ 239_Sirazetdinov_Dobroserdova.pdf (дата обращения: 15.11.2020).
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossijskoj Federacii na period do 2035 goda. Rasporyazhenie Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 9 iyunya 2020 g. № 1523-r [Energy strategy of the Russian Federation for the period up to 2035]. Tekst -elektronnyj // Ministerstvo energetiki Rossijskoj Federacii. 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 AGTU. 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/napravleniy a-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] / Minregion Rossii. M., 2012. 126 p.
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, CreateSpace. 2017. Issue 6. P. 91-93. (In Russian).
6. Uskov A.Ye., Girkin A.S., Daurov A.V. Solnechnaya energetika: sostoyanie i perspektivy [Solar power: state and
prospects]. Nauchnyy zhumal KubGAU -Scientific Journal of KubSAU. 2014. No. 98. Available at:
https://cyberleninka.ru/article/n/solnechnay a-energetika-sostoyanie-i-perspektivy (access date: 09.11.2020) (In Russian).
7. Alehina Ye.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).
8. 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).
9. Ovcharov P.V., Sadykov R.A. Primenenie teplovyh nasosov v energosberegayushhem komplekse [Application of thermal pumps in a power saving up complex] // Izvestiya
KazGASU. 2012. No. 2 (20). Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-teplovyh-nasosov-v-
energosberegayuschem-komplekse (access date: 09.11.2020) (In Russian).
10. Brodach M.M., Livchak V.I. Zdanie s blizkim k nulevomu energeticheskim balansom [Nearly zero energy building]. AVOK. 2011. No. 5. Available at: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php? nid=4973 (access date: 09.11.2020) (In Russian).
11. Modelirovanie rezul'tatov innovacionnyh energosberegayushhih resheniy v oblasti stroitel'stva individual'nyh zhilyh domov / R.M. Sirazetdinov, Ye.A. Dobroserdova, A.R. Mavlyutova, E.N. Latypov, A.G. Gur'yeva [Modelling of the effects of innovative energy saving solutions for the construction of detached houses] // Izvestiya KGASU : [site]. 2015. No. 3(33) P. 230 - 239. Available at: https://izvestija.kgasu.ru/
files/3_2015/230_239_Sirazetdinov_Dobro serdova.pdf (access date: 15.11.2020) (In Russian).
Анай-оол Антон Викторович, магистрант 3 курса, Инженерно-технический факультет, ФГБОУ ВО «Тувинский государственный университет», г. Кызыл, Россия, е-тай: аПоп[email protected]
Саая Светлана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой строительства и ЖКХ, ФГБОУ ВО «Тувинский государственный университет», г. Кызыл, Россия, е-mail: [email protected]
Anton V. Anai-ool, 3rd year undergraduate student, Faculty of Engineering, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Svetlana S. Saaia, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Construction and Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 09.01.2024
