CC BY
72
УДК 721.01+69
ВЛИЯНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗДАНИЙ
Лихачева А.Е., доцент Лопатин А.Д., магистрант
Новосибирскийгосударетвенныйуниверситетархитектуры, дизайна и искусств
Аннотация.В статье рассматриваются основные принципы проектирования энергоэффективного дома, способы понижения энергозатрат в ходе эксплуатации жилого дома, снижение теплопотеръ при помощи объемно-планировочных решений. Сравнивается энергоэффективностъ двух домов, форма одного из которых - полусфера, а другого - параллелепипед. Приводится аналогичное сравнение для периметра здания и его площади при одинаковой высоте. Рассматриваются ширококорпусные дома (ШКД), представляющие собой одну из последних отечественных разработок в сфере энергоэффективности, принципиальное их отличие от типовых домов, строившихся до сих пор. Приводятся способы снижения энергопотреблениядля нашего климата, особенно в зимний период, требуемая величина расхода тепловой энергии на отоплениедля «пассивных» домов в климате Средней Европы, а также ряд обязательных требований.
Ключевыеслова: энергоэффективностъ, энергоресурсы,
энергоэффективное оборудование, альтернативные источники энергии, архитектурно-планировочные решения.
В настоящее время вопросы, касающиеся повышения энергетической эффективности экономики, привлекают всеобщее внимание. Проблема энергосбережения рассматривается и в нашей стране, в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» [4]. Проекты энергосберегающих, энергоэффективных домов, а также домов с нулевым энергопотреблением вызывают большой интерес.
Преимуществом проектирования энергоэффективных домов является высокий уровень комфорта, создание благоприятного микроклимата в жилом доме, снижение негативного влияния на окружающую среду, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, экономия энергоресурсов.
Основной проблемой при строительстве и проектировании такого жилья является дороговизна энергоэффективных проектных решений, основную стоимость которых составляет инженерное оборудование, предназначенное для
экономии и возврата тепловой энергии, вырабатываемой в процессе жизнедеятельности человека.
Цель данной работы - исследование влияния проектных решений на энергоэффективность здания наиболее рациональным и экономически целесообразным способом с применением энергоэффективных принципов проектирования.
Архитектура зданий современных сибирских городов отразила попытку государства уменьшить влияние будущих затрат на содержание жилья собственниками (в виде населения) совершенно новым типом ограждающих конструкций - внедрением новых технологических норм. За этим последовали многослойные конструкции наружных стен, вентилируемые фасады, двойные пластиковые стеклопакеты окон, приборы учета тепла, воды [2].
Наиболее важную часть приобретает технологичность всех компонентов строительства, от которых собственно и зависит достижение высокойэнергоэффективности.Здания с максимальным использованием выделяемой внутри них тепловой энергией и максимальной защитой от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию называют энергосберегающими, энергоэффективными или энергоэкономичными.В этих зданиях стремятся использовать технологии отопления,вентиляции, освещения, водоснабжения, канализации с минимальными затратами энергии на их функционирование. Для этого применяют возобновляемые источники энергии (солнечную, ветровую и т. п.). Наряду с этим обращают внимание на сокращение потерь тепла, снижение утечки воздухачерез щели и стыки, повышение сопротивления теплопередачи наружу в зимнее время года. В летнее время обеспечивают естественную вентиляцию проветриванием, а также охлаждение, радиаторное или путем испарения, например при орошении кровли. Кроме того, снижают поступление солнечной энергии экранированием. Вышеперечисленные меры в комплексе с учетом местных климатических условий позволяют обеспечить хорошее регулирование теплообмена в здании и снизить энергозатраты.Здания, конструктивно совмещенные с установками для утилизации возобновляемой энергии, называют энергоактивными. В них максимально совмещены несущие и технологические функции конструкций здания и установок. Это позволяет не только сократить ущерб, наносимый земле, расход строительных материалов, но и снизить длину коммуникаций. В России создан экспериментальный «активный» дом, проектное производство энергии которого отражено на рис. 1.
Рис. 1. Проектное производство избыточной энергии первым «активным» домом в России [1]
Основные принципы проектирования энергоэффективного дома - это максимальное использование выделяемой внутри него тепловой энергии и максимальная защита от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию, применение альтернативных источников энергии.Следует заметить, что для обогрева дома, который считается дешевым в эксплуатации, может понадобиться либо 70, либо всего лишь 15 кВт/(м2*год). Дома, отвечающие первому, более высокому уровню расхода энергии, называются энергосберегающими или энергоэффективными. Их разновидностью являются «пассивные» дома, уровень энергии которых не превышает15 кВт/(м2*год).
Для экономии энергии применяют следующие меры:
• объемно-планировочные решения, увеличивающие экономию энергии;
• использование энергоэффективной дополнительной теплоизоляции наружных стен в целях снижения передачи теплоты наружу здания;
• применение энергосберегающих окон, форточек, жалюзи;
• устройство снаружи здания светопрозрачной теплицы, зимнего сада;
• обваловка части здания грунтом: «кровля - газон», «кровля - зимний сад»;
• герметичная заделка всех стыков и щелей, исключение утечек теплоты;
• улучшение ввода дневного света в здание с помощью зеркальных жалюзи (полок) в целях сокращения затрат на искусственное освещение;
• ввод свежего воздуха в здание с помощью новых дефлекторов типа «капюшон» и ветрокомс, не требующих подвода электроэнергии;
• утилизация тепла и удаляемого из здания теплого воздуха для подогрева наружного холодного воздуха с помощью специальных теплообменников, устанавливаемых в окна или рядом с ними;
• утилизация тепла от внутренних источников (бытовые приборы, люди, теплая вода после употребления и т. п.) с помощью тепловых насосов;
• пассивные системы утилизации солнечной энергии, не требующие затрат электроэнергии;
• энергетически рациональная ориентация здания по частям света с точки зрения расположения оконных проемов и буферных зон;
• устройство окон только с одной или двух смежных сторон здания для исключения сквозного проветривания;
• оптимальная площадь остекления;
• оконные стекла с энергетически эффективными покрытиями (с пассивными или управляемыми смарт-покрытиями, позволяющими на 30-50 % снизить теплопотери зимой и уменьшить поток тепла в здание летом);
• динамическая теплоизоляция наружных стен с воздушными каналами, сквозь которые проходит воздух, нагреваясь и отапливая помещения.
В условиях климата с низкими отрицательными температурами, который характерен для большей части нашей страны, следует уделять внимание тому, насколько здание подвержено отдаче тепла.
С помощью объемно-планировочных решений удается значительно снизить теплопотери. Одним из самых простых решений является наличие тамбуров на входах. Возможно придать дому энергетически эффективную форму, обеспечивающую минимальную площадь наружных стен. Так, американский архитектор Ральф Ноулз (RalphKnowles) обнаружил, что отношение площади ограждающих конструкций к объему строения (так называемый коэффициент подверженности S/V) влияет на энергетическую эффективность здания. Чем меньше отношение площади ограждающих конструкций к объему, тем менее подвержено здание влияниям климата (рис. 2).
Рис. 2. Сравнительное соотношение S/V[1]
Если сравнивать два дома, форма одного из которых - полусфера, а другого - параллелепипед, с размерами, указанными на рис. 3 и 4 соответственно, то получим следующее.
Рис. 3. Тестовый дом прямоугольной формы [1]
Рис. 4. Тестовый дом в форме полусферы (геодезический купол) [1]
значит, объем купольного дома (полусфера) составит 134 м3. Таким образом, при почти одинаковом объеме (130 м3 против 134 м3) площадь поверхности прямоугольного дома составляет 128,0 м2, а площадь поверхности купольного дома - 100,5 м2. Следовательно, купольный дом потребует меньше затрат на обогрев (из-за снижения потерь на рассеяние тепла) как минимум на 20 %.
Аналогичное сравнение можно вывести для периметра здания и его площади при одинаковой высоте (рис. 5). Эти соотношения между периметром здания Р и его площадью Б говорят в пользу ширококорпусного дома, где поверхность ограждения меньше на 20 %.
Рис. 5. Сравнительные соотношения периметра здания к его площади [1]
Ширококорпусные дома (ШКД) представляют собой одну из последних отечественных разработок. Принципиальное их отличие от типовых домов, строившихся до сих пор, состоит в увеличении ширины корпуса дома до 1820 м (теоретически - до 23,6 м) с соблюдением всех норм естественной
57
освещенности, инсоляции, воздухообмена. Поскольку ШКД почти в полтора раза шире обычных домов, отношение полезной жилой площади к площади наружных стен увеличивается. За счет этого тепловые потери снижаются на 2040 %.
Значительная потеря тепла в зимний период происходит через оконное остекление. Проследив изменение количества теплопотерь в зависимости от вариантов остекления и сравнив их характеристики (табл. 1), делаем вывод, что снижения энергозатрат можно добиться путем грамотного выбора остекления.
Таблица 1
Характеристики распространенных типов остекления [3]
Г - ■ —------ ■
Простое остекление Двойное осгсгление Двойное остеи п»нтте (спмоламг с теплоизоляцией) Тройное оетсхлоние (двойной стеклопак* > с теплоизоляцией)
Коэффициент теплоизоляции (остекление) 5.8 Вт /(мг * К) 3.0 Вт / (мг х К) 1.1 Вт/(м'хК) 0,4-0.7 Вт/(мгхК>
Температура внутренней поверхности при различных наружных температурах
Наружная температура оч: •6 "С 412 »С ♦ 17°С -18 <С
Наружная температура -2 °С ♦ 8СС
Еще одним способом снижения энергопотребления, как уже было сказано, является выбор ориентации здания, что актуально для нашего климата, особенно в зимний период. Ориентируя основной фасад здания на южную сторону, получим дополнительную возможность обогрева помещений за счет солнечной энергии в холодные месяцы года, что понизит стоимость обогрева. Южное направление также увеличит использование светового дня, следовательно, снизится потребность в электрическом освещении. Данная ориентация здания также может использоваться для получения солнечной энергии или нагревания воды для обогрева самого здания. На рис. 6 показан пример здания, в котором за счет правильной ориентации и двойного фасада улучшается баланс тепловой энергии.
Я
Рис. 6. Пример проектирования здания для пассивного солнечного отопления через
двойной фасад [1]
Несомненно, все вышеперечисленные способы экономии энергии применяются и в «пассивных» домах. Однако, чтобы обеспечить столь жестко заданную требуемую величину расхода тепловой энергии на отопление, равную 15 Вт/(м2хгод) для «пассивных» домов в климате Средней Европы, со временем был установлен ряд обязательных требований:
• коэффициенты теплопередачи и для наружных стен, кровли и полов первого этажа должны составлять менее 0,15 Вт/(м2хК) (или (К > 6,7 м2х°С)/Вт, где К = 1/и);
• для остекления иост<0,7 Вт/(м2хК) или К0>1,4 (м2х°С)/Вт;
• для оконного профиля ипроф< 0,8 Вт/(м2хК) или К0> 1,25 (м2хоС)/Вт;
• приведенный коэффициент теплопередачи окна с учетом монтажа в стену иокн<0,85 Вт/(м2хК) или Яо > 1,2(м2х°С)/Вт;
• максимально снижение негативного эффекта от «тепловых мостиков»;
• чтобы обеспечивался эффективный возврат тепла, КПД рекуператора должен составлять не менее 75 % (рекомендованные значение - 80 % и более);
• должна обеспечиваться герметичность наружной оболочки здания;
• использование бытовых приборов с низким потреблением электроэнергии;
• подогрев питьевой воды с помощью солнечных коллекторов или теплового насоса;
• пассивный подогрев воздуха с помощью грунтового теплообменника[1].
Все перечисленные выше факторы позволяют обеспечить хорошие условия
регулирования теплообмена в здании, снизить энергозатраты и улучшить микроклимат помещений. Однако использования инноваций в области энергосбережения недостаточно при создании энергоэффективного дома. Всегда присутствует человеческий фактор, способный негативно влиять на конечный результат. Как следствие, тепловая энергия может расходоваться нерационально. Одной из причин является низкое качество и неплотность сопряжений окон, дверей, ограждающих конструкций.
При оценке теплопроводности теплоизоляционных материалов не учитывается инфильтрация, в то время как в зимний период холодный воздух проникает в помещения при инфильтрации через стены, стыки и неплотности окон. Проходя через толщину стены, он вызывает снижение температуры ограждения и на его поверхности, а проникая в комнату, охлаждает внутри воздух и вызывает дополнительные потери теплоты. Фильтрация воздуха приводит к увеличению тепловых потерь через ограждения почти в два раза, что видно из табл. 2.
Таблица 2 59
Зависимость тепловых потерь ограждающих конструкций от инфильтрации [3]
0«о~»«л\ 0'«0С Простенок Оип
КврйМЭИТоветоммМ ги»*ып|| А * 400 мы .п.амм'с/вт» п с лереиннныи оконмии опокой с доойныи ос т(-*,;'<>м и сгадреины« тт&олло!»« 4Й.08 59 01 145 233
Трек.лиь1мая • с роиоСятоювя плмеп» Ь * 340 ми с у1рл1»ито;№м иэ полистицольиого птопласта. дгргиимм^ча о*04«ным 6/ю«им с лшммым ОСТПВЛИМИЛМ ■ РН4Л4'ЛЬ"МЯ П0(ЧЧ!ЛЛ1.1К 13,7/9,1 27 С1 26/27 132 284
Другим слабым местом является сопряжение окон с наружными стенами. Здесь при косом дожде вода часто попадает в тело панелей или других ограждающих элементов здания, ухудшая их теплозащитные свойства и разрушая строительную конструкцию. Возможно попадание влаги в утеплитель и из-за некачественного выполнения стыков, соединения гидроизоляционных мембран. Нередко вода в этих местах проникает и в жилые помещения. В результате термическое сопротивление стен в таких зданиях в 4-5 раз ниже нормативного.
Ухудшение теплозащитных свойств в холодное время года ведет к образованию на внутренней поверхности конденсата и даже черной плесени, промерзанию панелей. Затраты на отопление таких зданий значительно увеличиваются.
С такими проблемами, в частности с появлением конденсата на внутренних поверхностях стен в местах стыков панелей, приходится сталкиваться как в зданиях постройки прошлых лет, так и в современных. Это говорит о том, что стыковые соединения не удовлетворяют современным требованиям энергоэффективности ни с конструктивной точки зрения, ни в первую очередь с точки зрения качества выполнения работ.
Можно назвать еще целый ряд факторов, увеличивающих потребление энергии, кроме ранее перечисленных. К ним относят:
• недостатки архитектурно-планировочных и инженерных решений отапливаемых лестничных клеток и лестнично-лифтовых блоков;
• недостаточное теплоизоляционное качество наружных стен, покрытий, потолков подвалов и прозрачных для света ограждений;
• протяженную сеть наружных теплотрасс с недостаточной или нарушенной теплоизоляцией;
• устаревшие и непроизводительные типы котельного оборудования;
• недостаточное использование нетрадиционных и вторичных источников энергии[1].
Тепловизионный (с использованием инфракрасной съемки) контроль качества строительно-монтажных работ позволит снизить потери тепла вследствие некачественного выполнения, повысит ответственность строителей
за выполнение «скрытых работ», даст информацию разработчикам и производителям строительных конструкций по совершенствованию конструкции и инженерного оборудования.
На данный момент в соответствии с классификацией, приведенной в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», здания, которым присвоен класс «С», не требуют проведения мероприятий по улучшению энергоэффективности[5].Таким образом, если на отопление малоэтажного жилого дома площадью 140 м2 расходуется порядка 350 кВт ч/м3 в год, этот дом будет энергоэффективным. Чтобы такой дом считался энергоэффективным, например, в Германии, он должен потреблять не более 70 кВт ч/м3 в год. Это говорит о том, что осуществляется большой перерасход энергии.
Несомненно, все вышеперечисленные способы экономии энергии помогут существенно снизить затраты на отопление. Также возможно уменьшение расхода энергии за счет снижения потерь тепла на подогрев вентилируемого воздуха и инфильтрацию. Затраты на вентиляцию современных зданий при составлении энергетических паспортов оцениваются в 20-40 % всех затрат на отопление. Полное исключение инфильтрации и использование механической приточной вентиляции позволит снизить теплопотери примерно на 1/3 от общих потерь здания. Однако этого будет недостаточно. Следовательно, необходимо также снижение трансмиссионных потерь здания, которые осуществляются посредством теплопередачи через теплотеряющие ограждения. Если же производить только качественное утепление здания, следует помнить, что в течение периода, когда производится отопление помещений, энергия затрачивается и на вентилируемый воздух. Причем расход тепла на вентиляцию без использования специальных инженерных методов будет увеличиваться.
Однако, как показывает практика, и этих мер может оказаться недостаточно. Связано это в первую очередь с тем, что во многих случаях фактические и расчетные параметры энергоэффективности могут существенно отличаться друг от друга. В расчетах закладываются одни значения теплотехнических параметров (например, того же приведенного сопротивления теплопередаче), ана практике, с учетом качества строительно-монтажных работ, получаются совершенно другие.
Таким образом, становится понятным, что рациональным и экономически целесообразным способом повышения энергоэффективности является только сочетание различных конструктивных, инженерных и архитектурно-планировочных мероприятий. Например, увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий в сочетании с компактной формой и планировкой здания.
Библиографический список
1. Бадьин Г.М. Строительство и реконструкция малоэтажного энергоэффективного дома. - СПб.: БХВ-Петербург, 2017. - 464 с.
2. ГанжаС.Д. Градостроительство - формализованный уровень энерговооруженности в алгоритме освоения территорий // Современный архитектурно-градостроительный образ сибирского города: материалы науч. -практ. конф., 12 фев. 2011 г. - Новосибирск, 2011. - С. 158-162.
3. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: справочное пособие. - М.: Авок-Пресс, 2007. - 265 с.
4. СП 50.13330.2012. Тепловаязащитазданий / ГосстройРоссии. - М.: ФГУПЦПП, 2004.
THE IMPACT OF DESIGN DECISIONS ON ENERGY EFFICIENCY
OF BUILDINGS
Likhacheva A.E., Associate Professor
Lopatin A.D., MA Student
Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts
Annotation.The article discusses the basic principles of designing an energy-efficient home. Ways to reduce energy consumption during the operation of a residential building. Significant reduction of heat loss by means of space-planning solutions. Comparison of energy efficiency of two houses, the shape of one of which is a hemisphere and the other is a parallelepiped. Similar comparison for the perimeter of the building and its area at the same height. Shirokokorpusnyh home (SCD) represents one of the latest developments in the field of energy efficiency. Their fundamental difference from the standard houses built so far. Ways to reduce energy consumption for our climate, especially in winter. The required amount of heat energy consumption for heating for "passive" houses in the climate of Central Europe, a number of mandatory requirements. A number of factors that increase energy consumption in addition to the previously listed.
Keywords: energy efficiency, energy resources, energy efficient equipment, alternative energy sources.
