Влияние качества проектных решений на энергоэффективность здания

В настоящее время вопросы, касающиеся повышения энергетической эффективности экономики, привлекают всеобщее внимание. Проблема энергосбережения рассматривается и в нашей стране, что нашло отражение в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ». А проекты энергосберегающих и энергоактивных домов завоевывают все большую популярность.

Особенную важность в этой связи приобретают качество и высокая технологичность всех компонентов строительства, от которых, собственно, и зависит достижение высокой энергоэффективности.
Здания с максимальным использованием выделяемой внутриних тепловой энергией и максимальной защитой от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию называют энергосберегающими 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 воздуха и инфильтрации его через 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 расход отторгаемой земли, строительных материалов, но и снизить длину коммуникаций. В России создан экспериментальный «активный» дом, проектное производство энергии которого отражено на рис. 1.

Проектное производство избыточной энергии первым «активным» домом в России
Рис. 1. Проектное производство избыточной энергии первым «активным» домом в России

Основные принципы проектирования энергетически эффективного 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 х год). Дома, отвечающие первому, более высокому уровню расхода энергии, называются энергосберегающими или энергоэффективными. Их разновидностью являются «пассивные» дома, уровень энергии которых не превышает 15 кВт / (м2 х год).
Для экономии энергии применяют следующие меры:

  • объемно-планировочные решения, облегчающие 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;
    Сравнительное соотношение S / V
    Рис. 2. Сравнительное соотношение S / V
  • 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.
Тестовый дом прямоугольной формы
Рис. 3. Тестовый дом прямоугольной формы

В условиях климата с низкими отрицательными температурами, который присущ 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 (Ralph Knowles) 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).

Если сравнивать два дома, форма одного из которых — полусфера, а другого — параллелепипед с размерами, указанными на рис. 3 и рис. 4 соответственно, то получим следующее.

Объем сферы составляет

Форм 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%.

Аналогичные сравнительные соотношения можно вывести для периметра здания и его площади при одинаковой высоте (рис. 5). Эти соотношения между периметром здания Р и его площадью F говорят в пользу ширококорпусного дома, где поверхность ограждения меньше на 20%.

Тестовый дом в форме полусферы (геодезический купол)
Рис. 4. Тестовый дом в форме полусферы (геодезический купол)

Ширококорпусные дома (ШКД) представляют собой одну из последних отечественных разработок. Принципиальное их отличие от домов типовых серий, строившихся до сих пор, состоит в увеличении ширины корпуса дома до 18-20 м (теоретически — до 23,6 м) с соблюдением всех норм естественной 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 20-40%.

Значительная потеря тепла в зимний период происходит через оконное остекление. Проследив изменение количества теплопотерь в зависимости от вариантов остекления (рис. 6) и сравнив их характеристики (табл. 1), делаем вывод, что снижения энергозатрат можно добиться путем грамотного выбора остекления.

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. 7 показан пример здания, в котором за счет правильной ориентации и двойного фасада улучшается баланс тепловой энергии.

Несомненно, все вышеперечисленные способы экономии энергии применяются и в «пассивных» домах. Однако, чтобы обеспечить столь жестко заданную требуемую величину удельного расхода тепловой энергии на отопление, равную 15 Вт/(м2 х год) для «пассивных» домов в климате Средней Европы (за что им и отдают большее предпочтение), со временем был установлен ряд обязательных требований:

  • коэффициенты теплопередачи U для наружных стен, кровли и полов первого этажа должны составлять менее 0,15 Вт/(м2 х К) (или (R≥ 6,7 м2х °С)/Вт, где R0 = 1/U);
    Сравнительные соотношения периметра здания к его площади
    Рис. 5. Сравнительные соотношения периметра здания к его площади
  • для остекления Uост≤0,7 Вт /(м2х К) или R0≥1,4 (м2 х °С) / Вт;
  • для оконного профиля Uпроф≤ 0,8 Вт / (м2 х К) или R0≥ 1,25 (м2 х оС) / Вт;
  • приведенный коэффициент теплопередачи окна с учетом монтажа в стену Uокн≤0,85 Вт/(м2х К) или R0 ≥ 1,2(м2х°С)/Вт;
  • максимально возможное снижение негативного эффекта от «тепловых мостиков». Это влияние можно не учитывать, если линейный коэффициент теплопередачи Ψ≤ 0,01 Вт/(м х К);
  • чтобы обеспечивался эффективный возврат тепла, КПД рекуператора должен составлять не менее 75% (рекомендованные значение 80% и более);
  • должна обеспечиваться герметичность наружной оболочки здания. Кратность воздухообмена при разности давления 50 Па наружного и внутреннего воздуха должна составлять n50≤ 0,6 ч-1;
  • использование бытовых приборов с низким потреблением электроэнергии;
  • подогрев питьевой воды с помощью солнечных коллекторов или теплового насоса;
  • пассивный подогрев воздуха с помощью грунтового теплообменника.
Характеристики распространенных типов остекления
Таблица 1. Характеристики распространенных типов остекления
Зависимость тепловых потерь ограждающих конструкций от инфильтрации
Таблица 2. Зависимость тепловых потерь ограждающих конструкций от инфильтрации
Варианты остекления
Рис. 6. Варианты остекления

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 толщу 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.

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 четыре-пять раз ниже нормативного.

Ухудшение теплозащитных свойств в холодную пору 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;
    Пример проектирования здания для пассивного солнечного отопления через двойной фасад
    Рис. 7. Пример проектирования здания для пассивного солнечного отопления через двойной фасад
  • 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.

Тепловизионный (с использованием инфракрасной съемки) контроль качества строительно-монтажных работ позволит снизить потери тепла вследствие некачественного исполнения, 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. 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.

Удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период для малоэтажного жилого дома общей площадью S=140 м2 в России и Германии
Рис. 8. Удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период для малоэтажного жилого дома общей площадью S=140 м2 в России и Германии

Несомненно, все вышеперечисленные способы экономии энергии помогут существенно снизить затраты на отопление. На графике, изображенном на рис. 8, видно, что 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.

Таким образом, становится понятным, что рациональным и экономически целесообразным способом повышения энергоэффективности является только сочетание различных конструктивных и инженерных мероприятий. Например, увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий.

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), а на практике, с учетом качества строительно-монтажных работ, получаются совершенно другие.

Список литературы:

  1. Бадьин Г. M. Строительство и реконструкция малоэтажного энергоэффективного дома. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011.- 432 с.
  2. Здания малоэтажные жилые. Общие требования обеспечения энергоэффективности. Стандарт научно-технического общества бумажной и деревообрабатывающей промышленности. — М., 1994.
  3. Малявина Е. Г. Теплопотери здания. Справочное пособие. — М. : АВОК-ПРЕСС, 2007. — 265 с.
  4. Самойлов В. С. Теплый дом. — М. : Аделант, 2006.-352 с.
  5. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий / Госстрой России. — М. : ФГУП ЦПП, 2004.
  6. СП 23-101 -2004. Проектирование тепловой защиты зданий / Госстрой России. — М.: ФГУП ЦПП, 2004.
  7. Тетиор А. Н. Архитектурно-строительная экология. — М. : Академия, 2008. — 368 с.
  8. Федеральный закон N9 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» от 23 ноября 2009 г.

Г. М. Бадьин, д. т. н., проф.;

С. А. Сычев., к. т. н.; Н. А. Павлова (СПбГАСУ )