CC BY
96
3/2011_МГСу ТНИК
ВОЗВЕДЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЗДАНИЙ В ЦЕЛЯХ УМЕНЬШЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
CONSTRUCTION OF ENERGY EFFECTIVE BUILDINGS FOR REDUCTION OF NEGATIVE INFLUENCE ON THE ENVIRONMENT
Н.П.Умнякова N.P. Umniakova
НИИСФ PAACH
В статье обращено внимание на необходимость комплексного учета энергозатрат не только на отопление здания, но и на производство строительных материалов и конструкций используемых при возведении, для проведения оценки энергоэффективности здания.
This article pays attention to necessity of complex accounting ofpower inputs for estimation of building power efficiency
not only for building heating, but also for production of construction materials and designs used during construction.
B настоящее время энергосбережение является одним из пяти ключевых направлений развития народного хозяйства. ЖКХ России потребляет около 40% всей производимой в стране энергии, поэтому актуальность этого направления для строительной отрасли крайне велика. По данным Минрегиона при общем потенциале энергосбережения в 400 млн.тонн у.т. (рис.1), технический потенциал энергосбережения в жилых зданиях составляет « 76 млн. тонн условного топлива, промышленности и строительстве - 61 млн. т.у.т. Снижение потребления энергии напрямую связано со снижением количества вредных выбросов в окружающую среду и уменьшением негативного воздействия результатов жизнедеятельности человека на биосферу. В результате сжигания топливных ресурсов для получения энергии в атмосферу выделяются оксиды серы, азота, зола, пыль, сажа. Предприятия нефтедобывающей промышленности выбрасывают в атмосферу около 9 - 10% загрязняющих веществ от валового выброса в целом по России. На долю предприятий газовой промышленности приходится около 20% вредных выбросов. На долю энергетики приходится 26,6% от общего количества выбросов. При сжигании твердого топлива на ТЭЦ образуется большое количество золы, оксидов азота и серы. У современной ТЭЦ мощностью 2,4 млн. кВт при сжигании 20 тысяч тонн угля выбросы серы (SO2, SO3) составляют 680 тонн, оксиды азота -200 тонн, твердые частицы - 120-140 тонн. При переходе на жидкое топливо уменьшается золообразование, но не уменьшается загрязнение воздуха серой. При сжигании угля и нефти сера, содержащаяся в дымовых газах, начинает быстро окисляться с образованием диоксида серы, который выбрасывается в атмосферу, и триоксида серы,
который, реагируя с водяными парами, образует серную кислоту - одно из самых агрессивных загрязняющих веществ, под действием которого даже в малых концентрациях сталь, медь, алюминий подвергаются интенсивной коррозии. При сжигании природного газа в дымовых выбросах содержатся оксиды серы и азота; при сжигании мазуты помимо оксидов азота в атмосферу выбрасываются соединения ванадия, натрия, твердые продукты неполного сгорания [1]. В связи с этим вопросы, связанные с энергосбережением во всех отраслях промышленности и, в частности, при строительстве и эксплуатации зданий, носят не только экономический характер, но и являются жизненно необходимыми для дальнейшего существования человечества.
||___S J ■ L|[HI. I»,I н I»I> Щ1]piiptpt
-1 Т1|К>ши11 |q ih> ■ ■ I |i>' iih | ■ Ч Г h II (HipHP
Щ^* --Ii------JTim ItinmiH)
^Ш^Г \ .51 3 IIJHi H Uli i ir I kji fc ■■ i гр I h.i 114 v*. ^^^^^ t_J \ V 4 4T[VFi/r[h bibibm ■IIH|miii
«v _ | -j v А ___---- _ гнммчщ
Лл e ]]ill'4il......... - Pl| *TI 'Л ||н II >■ Uta llh П 14« IHlh»
1 23 щимм)
— — ^^
* ilip-rnrp.
™ И
in -I
Рис 1. Структура технического потенциала повышения энергоэффективности (млн. т.у.т.).
Суммарное потребление энергии зданием можно представить в следующем виде (рис.2):
1. Потребление энергии при производстве строительных материалов и конструкций.
2. Потребление энергии при транспортировке материалов и конструкций к месту возведения зданий.
3. Потребление энергии при возведении здания.
4. Потребление энергии при эксплуатации построенного здания.
На каждом этапе сжигается топливо и происходит негативное воздействие на окружающую среду. Следует учесть, что на сегодняшний день только 55% всех вредных выбросов от жизнедеятельности человека могут быть переработаны бактериями, водорослями и микроорганизмами. Остальные 45% скапливаются на Земле - в атмосфере, почве, в водоемах, нанося непоправимый вред биосфере Земли. Поэтому проблему энергосбережения надо рассматривать в неразрывной связи биологической совместимости человека с окружающей его биологической средой - биосферой.
Как видно на Схеме, последним этапом является эксплуатация здания, когда происходит интенсивное потребление энергии на отопление (освещение, электроснабжение здания). Без решения проблемы обеспечения тепловой защиты наружных ограждающих она не может быть решена.
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Расход энергии
Т шшслсфк нрсмий
И (ЦИЦЦГЧтНШ На 44*4*4.4 * ШНСГР^МЙ ^ ЙЦриШЯШНув Знсгшупгвда
иашрилпОи дат»
щшшуу _ =__—
Рис. 2. Суммарное потребление энергии зданием
НИИСФ РААСН с 1996 г. начал заниматься я разработкой норм по энергосбережению в строительстве. В результате строительная отрасль стала первой отраслью в России, в которой начали действовать требования энергосбережения. Поэлементная теплозащита наружных ограждающих конструкций в 1996 году была повышена в среднем в 2,5 - 3 раза, что дало за период 2000-2010 года энергосберегающий эффект 50 млн. тут и уменьшило выбросы углекислого газа на 100 млн.тонн.
Разработанная НИИСФ РААСН в 1996-2011 гг. нормативно-техническая база по энергосбережению коренным образом преобразовала строительный комплекс на территории России и направила его на использование эффективных материалов и изделий, развитие новых технологий строительства и утепления зданий. Под влиянием новых нормативных требований появились здания в монолитном исполнении с применением легких и ячеистых бетонов, широкое распространение получили технологии штукатурных систем наружного утепления и навесных фасадов с вентилируемым воздушным зазором, которые позволили не только повысить теплозащиту, но и создать новый архитектурный облик зданий.
Новые нормы теплозащиты дали толчок для развития промышленности строительных материалов. На смену старым утеплителям из минеральной ваты и стекловолокна пришли эффективные теплоизоляционные материалы с малым коэффициентом теплопроводности Х=0,03 - 0,05 Вт/м- °С - экструдированные пенополистиролы, новое поколение минеральной ваты на основе базальтового и стеклянного волокна, сохраняющие свои высокие эксплуатационные характеристики в течение длительного периода эксплуатации.
Серьезная модернизация произошла в отрасли производства керамических стеновых материалов. На смену старым заводам пришли новые предприятия с современным оборудованием, позволяющим выпускать щелевой и поризованный кирпич, плотностью до 650 - 800 кг/м3. Достоинством нового поколения кирпича является как низкая энергоемкость производства, в 2 раза меньшая по сравнению со старой, так и высокая
теплозащита. Коэффициент теплопроводности кладки из эффективных кирпичей равен Х=0,3 Вт/м- °С , что в 2,7 раз меньше чем у кладка из обыкновенного глиняного кирпича на цементно-песочном растворе.
Повышение требований к теплозащите окон способствовало развитию стекольной промышленности. В настоящее время оконные блоки с энергосберегающими стеклами получили повсеместное применение, развивается производство стекол с низкоэмиссионными мягкими покрытиями, с коэффициентом эмиссии доходящим до 0,04 - 0,01.
Повышение поэлементных требований к теплозащите окон также привело к необходимости использования в оконных блоках многокамерных ПВХ -профилей, имеющих 5-6 камер, и стеклопакетов, заполненных инертными газами, в первую очередь аргоном. В настоящие время разработаны конструкции оконных ПВХ- блоков без металлического армирования. Применение этих разработок позволило значительно повысить теплозащитные качества окон. Последние 1 - 1,5 года в климатических камерах НИИСФ РААСН испытываются энергоэффективные пластиковые оконные блоки с двухкамерными стеклопакетами с низкоэмиссионными стеклами, имеющие приведенное сопротивление теплопередаче Кспр = 0,8 - 1,1 м2- °С/Вт.
Принятие Федерального Закона №261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», Федерального Закона №384 «Технический регламент о безопасности в строительстве» активизировали работы и исследования направленные на снижение потребления топливно-энергетических ресурсов и модернизацию всех отраслей промышленности. Учитывая, что Техническое регулирование во многом определяет направления развития промышленности в соответствии с Федеральным Законом №384 и Распоряжением Правительства РФ №1047 - Р от 21 июля 2010 г., был утвержден Перечень национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального Закона «Технический регламент о безопасности в строительстве», и в настоящее время НИИСФ РААСН ведет работу по актуализации четырех СНиП, включая СНиП «Тепловая защита зданий».
В настоящее время НИИСФ РААСН подготовили редакцию актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий», в котором представлены требования к наружным ограждающим конструкциям, позволяющие повысить тепловую защиту зданий. В новом СНиПе отражено, что для повышения энергетической эффективности зданий необходимо решение следующих проблем:
- увеличить теплотехническую однородность наружных конструкций за счет разработки новых конструктивных решений узлов сопряжений элементов здания и использования новых эффективных материалов;
- эффект от дальнейшего увеличения требований к сопротивлению теплопередаче
к стенам будет незначительным. При этом использование существующих эффективных теплоизоляционных материалов приведет к увеличению толщины утеплителя, что повысит стоимость конструкции и усложнит конструктивное решение ограждения;
- ввести комплексный показатель нормирующий уровень теплозащиты всей «оболочки здания» - стен, окон, покрытий, цокольной части и т.д..
Надо отметить, что затраты на производство строительных материалов достаточно велики. Например, на производство 1 тонны цемента тратится 240 кг у .т., стальной арматуры - 1900 кг у .т., стекла - 500-800 кг т.у. Производство теплоизоляционных материалов, в частности минеральной ваты на основе базальтового волокна требует поддержания высоких температур, при которых происходит плавление базальтовых пород; при производстве стекловаты поддерживается температура плавления стекла.
3/2011_МГСу ТНИК
На поддержание температур плавления порядка 1200 - 1600 °С расходуется достаточно большое количество энергии. Первичные затраты энергии на производство некоторых строительных материалов приведены в табл.1.
Таблица 1.
Первичные энергетические затраты на производство строительных материалов ( по данным В.П.Князевой и Б.ОТиескНсЬ)
Наименование материала Первичные энергозатраты на добычу и производство материала, кВт ч/м3
Алюминий (фасадные плиты) 195000
Полистирол 18900
Минеральная вата 10000
Древесно - волокнистые плиты 800
Газобетон 450
Известково-песчаный раствор 350
Силикатный кирпич 340
Материалы из древесины 180
Как видно из табл.1, энергопотребление на производство строительных, в том числе и теплоизоляционных материалов, велико. Однако эти расходы энергии при оценке энергоэффективности зданий не учитываются. Соответственно не учитываются и выбросы вредных веществ и их влияние на биосферу.
Кроме того, необходимо иметь ввиду, что увеличение толщины утеплителя ведет к увеличению расхода не только теплоизоляционного материала, но и металлических крепежных элементов, дюбелей и др., производство которых энергоемко.
Поэтому в проводимых исследованиях при оценке энергетической эффективности зданий необходимо учитывать не только уменьшение энергозатрат на отопление зданий за счет повышении их энероэффективности, но и расход энергии на производство конструкции и материалов.
Например, в зданиях одним из участков значительных теплопотерь являются узлы опирания междуэтажных перекрытий на несущие стены. Традиционно они выполняются из железобетона плотностью / = 2500 кг/м3 с коэффициентом теплопроводности X — 2Вт/м°С. Замена тяжелого бетона на гравийном щебне на равнопрочный легкий бетон плотностью / = 1600 кг/м3 на заполнителе из безобжигового зольного гравия позволит, не меняя прочности перекрытия:
- снизить массу перекрытия до 1600 кг/м3, т.е. на 600 кг/м3 или на 25%;
- уменьшить расход арматуры несущих элементов здания на 110 -125 кг на 1 м3 бетона, т.е. 39 - 40 кг у.т. на 1 м3 железобетона;
- повысить коэффициент теплотехнической однородности стены за счет уменьшения потерь тепла в зоне опирания перекрытия с Х=0,65 Вт/м С вместо X — 2Вт/м°С на несущую стену приблизительно на 15%;
- уменьшить транспортные расходы и расход горючего на доставку бетона от завода до строительной площадки на 20%;
- снизить энергоемкость бетона за счет использования вместо гранитного щебня (Э = 24,5 кг у. т./м3) безобжигового зольного гравия (Э = 10 кг у. т./м3).
В целом на 8-ми этажное здание площадью 20 000 м2 применение легкого бетона позволит уменьшить расход арматуры на 100 тонн или даст возможность сэкономить
200 т.у.т. При этом повысится теплотехническая однородность ограждения и приведенное сопротивление теплопередаче повысится на 15%.
Для успешного проведения политики энергосбережения в зданиях введен и комплексный показатель - удельная теплозащитная характеристика здания, позволяющая занормировать уровень теплозащиты всей «оболочки здания» - стен, окон, покрытий, цокольной части и т.д. Это приведет к тому, что при проектировании зданий с излишне развитыми площадями наружных стен, остекленными фасадами необходимо будет тщательно продумывать энергосберегающие мероприятия или отказаться от возведения энергозатратных домов.
В соответствии с Государственной стратегией из суммарного ресурса энергосбережения в 400 млн. т.у.т. ресурс энергосбережения в жилых дома составляет порядка 19%. При этом основной упор делается на повышение уровня теплозащиты и энергетической эффективности вновь возводимых зданий. Учитывая, что за период 2000 -2010 гг. построено в соответствии с новыми требованиями по энергосбережению всего 12% жилых зданиях в России, а остальные 88% зданий не отвечает этим требованиям, то необходимо большее внимание уделить существующему жилищному фонду, его реконструкции, капитальному ремонту и другим мероприятиям, направленным на энергосбережение в зданиях.
Также необходимо проводить экономическую оценку энергосберегающих мероприятий, что позволит использовать в зданиях научно-обоснованные наиболее эффективные и экономически выгодные решения.
Таким образом, разработка методологических основ проектирования энергоэффективных зданий с учетом затрат энергии на стадии производства материалов и конструкции в процессе эксплуатации являются составным элементом концепции обеспечения биосферой совместимости человека.
Энергетическая эффективность, загрязняющие вещества, теплозащита, оболочка зданий, выбросы вредных веществ.
Power efficiency, polluting substances, heat-shielding, building envelope, emissions of harmful substances.
e-mail автора: n.umniakova@mail.ru
