Энергоэффективный дом – это здание, в котором очень малое потребление энергии сочетается с комфортным микроклиматом.

Экономия энергии в таких домах достигает 90%.

Годовая потребность в отоплении энергоэффективного дома может составлять менее 15 кВт*ч на квадратный метр.
Например, на сегодняшний день в самой распространенной конструкции частного дома (ж/б фундамент, система «теплый пол» без утепления, стены 1,5 кирпича с цементной штукатуркой, обычными металлопластиковыми окнами, утеплением кровли 150мм и без приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла) потребление энергии на отопление составляет 110-130 кВт*ч на 1 м2 в год.

В странах Евросоюза принята такая классификация домов:

1. Дома низкого энергопотребления
   Используют как минимум на 50 % энергии меньше, чем стандартные здания, построенные в соответствии с действующими нормами энергопотребления.
2. Дома ультранизкого энергопотребления
   Расходуют на 70-90 % энергии меньше, чем обычные здания. Примеры домов ультранизкого энергопотребления с четко обозначенными требованиями – это немецкий Passive House, французский Effinergie, швейцарский Minergie.
   Пионером в строительстве таких домов стал Passive House (пассивный дом), который был разработан в Германии в г.Дармштадт в 90-х годах. Принято считать здание «пассивным», если оно соответствует требованиям, разработанным немецким институтом пассивных зданий. «Пассивный» дом – это дом с отличной теплоизоляцией, минимальным потреблением электроэнергии и тепловой энергии. В нем поддерживается комфортный микроклимат в основном за счет человеческого тепла, энергии солнца и бытовых электроприборов, таких как чайник, плита и т.д. Технологии «пассивного» дома (здания с ультранизким потреблением энергии, без традиционной системы отопления), эффективны и уже опробованы в суровом скандинавском климате. Такие дома практически не имеют тепловых потерь.
3. Дома, генерирующие энергию
   Это здания, которые производят электричество для собственных нужд. В некоторых случаях излишки энергии летом могут быть проданы энергетической компании и куплены обратно в зимнее время. Хорошая теплоизоляция, инновационный дизайн и использование возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, грунтовые тепловые насосы) делают эти дома авангардом современного домостроения.
4. Дома с нулевыми выбросами CO2
   Термин, чаще всего используемый в Великобритании. Такой дом не выделяет CO2. Это означает, что дом сам обеспечивает себя энергией из возобновляемых источников, включая энергию, расходуемую на отопление/охлаждение помещений, горячее водоснабжение, вентиляцию, освещение, приготовление пищи и электрические приборы. В Великобритании все новые дома с 2016 года строятся в соответствии с этим стандартом. В России принята следующая классификация:

*В соответствие со СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" нормативы для
Ростова-на-Дону (м2° С/Вт) Rстен=2,63 Rпокр=3,96 Rокон=0,84

КАК «НАУЧИТЬ» ДОМ БЫТЬ ЭКОНОМНЫМ И КОМФОРТНЫМ?

1. Правильное ориентирование дома относительно сторон света.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на потребление домом энергетических ресурсов, является его расположение относительно сторон света. Большая часть окон дома должна быть направлена на юг. При этом отклонение до 30° от азимута на юг незначительно уменьшает использование энергии солнца. Если дом расположить по-другому, то стены и крышу здания следует утеплить более эффективно, чтобы компенсировать недостаток тепла, попадающего в помещение с лучами солнечного света.

Как происходит нагрев дома от солнца? Порядка 90% световой энергии проникает через стёкла окон, нагревая помещение. Современные стеклопакеты изготавливают со специальными покрытиями и заполнением инертным газом. Покрытия отражают длинноволновые инфракрасные лучи из помещения обратно внутрь помещений, уменьшая их потерю через окна.

Из-за больших окон летом в доме может стать слишком жарко. Эта проблема решается применением еще одного специального покрытия стекол, а также использованием автоматических систем затемнения, свесов крыш, балконов. Их располагают так, чтобы позволить проходить прямым солнечным лучам через окна только при низком положении солнца в зимнее время. Летом окна на солнечной стороне дома затеняют деревья. Зимой же солнечный свет легко проникает в дом между голыми ветвями.

2. Проектирование компактной конфигурации строений.

Чем больше наружная поверхность здания при одинаковом объёме его помещений, тем выше потери тепла. Поэтому при строительстве, реконструкции или расширении дома, следует по возможности избегать всевозможных ниш, уступов, выступов на стенах. Имеет смысл возводить необогреваемые пристройки на северной стороне дома. Например, помещения для хранения садового инвентаря и велосипедов, технические помещения, защищающие отапливаемую часть дома от ветра и холода. Дом компактной конструкции не только потребляет меньше энергии, но и требует меньших затрат на строительство.

3. Наружные стены, конструкции и свойства применяемых строительных материалов.

Значительная часть тепла уходит из дома через его наружную оболочку. Чем выше перепад между температурами в помещениях и вне дома, тем больше потери тепла.

Степень теплоизоляции дома определяется коэффициентами сопротивления теплопередаче его ограждающих конструкций (пол, стены, окна, кровля). Чем он выше, тем качество утепления лучше.

На рисунке выше представлены конструкции стен коэффициент сопротивления передачи которых составляет 2,1- 2,2 м2ºС/Вт, что удовлетворяет региональным требованиям зданий находящихся в географической широте г.Краснодара.

В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», для г. Ростов-на-Дону, сопротивление теплопередаче одноэтажного дома должно быть не менее 2,62 м2ºС/Вт.

4. Толщина наружных стен и жилая площадь дома.

От толщины наружных стен непосредственно зависит величина будущей жилой площади в доме. Если стены сделать толщиной, например, не 32 см, а 38,5 см, жилая площадь дома значительно уменьшится. Так, в доме площадью 10x11 м в условиях стен указанной толщины его жилая площадь потеряет 2,73 м! На каждом этаже. А это значит, что каждый квадратный метр жилья обойдётся дороже! При толщине же стен в 49 см жилая площадь каждого этажа уменьшится почти на 8 м2.

5. Шумозащита дома.

Звукоизоляция стен и конструкций дома напрямую зависит от плотности и структуры материала, из которого они изготовлены. При проектировании дома, очень важно уделять внимание изоляции от ударных и звуковых шумов.

Сплошные (без окон и дверей) стены, например из фибропенобетона толщиной 250мм, в полной мере отвечают требованиям комфорта. Звукоизоляция же стены с окнами, занимающими более 25% площади, будет уже не столь эффективной: в этом случае значительная порция шума будет проникать через окна. Именно здесь, прежде всего, потребуются специальные меры по шумоизоляции.

6. Индивидуальное восприятие комфорта и климат в помещении.

Понятие «комфорт в доме» у многих имеет неодинаковый смысл. Одни считают, что самый комфортный - это дом из обожжённого глиняного кирпича, другие предпочитают силикатный кирпич, третьи питают пристрастие к деревянной каркасной конструкции. Однако климат в доме зависит не только от абсорбционной и теплоаккумулирующей способности стен, принципа работы системы отопления, системы вентилирования и деятельности его обитателей. Комфортный микроклимат – это сбалансированное сочетание всех этих элементов в конструкции дома.

7. Теплопотери и мостики холода.

При утеплении дома особое внимание необходимо местам потерь тепла, или так называемым «мостам холода». В этих местах тепло уходит наружу более интенсивно, чем в других. Примером могут служить балконы, исполненные вместе с перекрытием в виде одной сплошной плиты, оконные откосы или стыки между наружными стенами и подвальным перекрытием. Чтобы уменьшить потери тепла и избежать возможных повреждений конструкций (например, образования на них плесени из-за отпотевания), необходимо учесть это ещё в стадии проектирования и строительства дома.
Уплотнению стыков в местах монтажа окон, дверей, кровли и креплению корпусов ролльставен следует обратить особое внимание.

В условиях любой стропильной конструкции, в т.ч. деревянной, над утеплителем необходимо настелить гидроизоляционную паропроницаемую пленку, а снизу под утеплитель пароизоляционную плёнку и уложить бесшовную теплоизоляцию. Особого внимания требует заделка примыканий к внутренним стенам. На этих двух фото один и тот же дом: первая фотография сделана фотоаппаратом, вторая - тепловизором.
Этот прибор зафиксировал огромные теплопотери через окна и наружные стены (отмечены желтым и красным цветами).

8. Теплоизоляция крыши.

Если раньше считалось, что для теплоизоляции крыши вполне достаточно утеплителя (минерально-волокнистых матов или пенополиуретановых плит) толщиной 10 см, то теперь в отношении утепления крыши действуют значительно более жёсткие нормы. Для крыш энергоэффективных («тёплых») домов сопротивление теплопередаче должно быть не менее не менее 6 м2ºС/Вт, т.е. толщина теплоизоляции из материала с коэффициентом теплопроводности (при равновесной влажности) 0,04 Вт/м2К должна быть не менее 24 см.

В условиях более жёстких норм потребления энергоресурсов, важную роль в их экономии играют системы отопления домов, отвечающие новым требованиям. Существенной экономии энергии можно достичь, например, за счёт применения автоматически регулируемых малоинерционных систем, быстро реагирующих на изменение температуры в помещениях.

Так при прогревании помещений солнечными лучами, проходящими сквозь окна, соответствующие датчики могут подавать на дозирующие клапаны сигнал, на уменьшение подачи теплоносителя в приборы отопления данной комнаты. Соответственно котел будет работать меньшее количество времени и расход газа сократится. В этом случае добрую услугу при отоплении дома Вам могут оказать пластинчатые отопительные батареи и конвекторы, которые обладают малой инерционностью. Отопление посредством нагрева полов и кафельная печь из-за большой нагреваемой массы быстро реагировать не смогут.

Отопительный котёл должен соответствовать стандартам, говорящим об эффективном использовании энергии и отсутствии выбросов вредных веществ в атмосферу. Ныне этим требованиям отвечают конденсационные котлы, работающие на жидком топливе или газе, а также газовые паровые котлы со сверхвысоким КПД.

Однако наиболее эффективной и обеспечивающей наибольший комфорт, является система отопления инфракрасными пленочными обогревателями, их КПД 92-97%.

При желании уменьшить энергопотребление собственного дома встает вопрос: что нужно сделать в первую очередь - сделать более мощной систему отопления или утеплить дом? Ответ на этот вопрос однозначный. Сначала следует улучшить теплоизоляцию всех элементов дома. Поскольку для обогрева хорошо утеплённого дома потребуется более компактная и менее мощная система отопления, но хорошо отрегулированная.

10. Пассивное и активное использование солнечной энергии.

Экономить энергоресурсы позволяет применение в окнах стеклопакетов с меньшим коэффициентом теплопередачи. Например, 1,6 Вт/(м2-К) вместо прежних 2,3 или 2,6 Вт/(м2-К). Современный рынок предлагает стеклопакеты даже с Кт =1,3-1,1 Вт/(м2-К) . Бывают стеклопакеты и люкс-класса (0,9-0,8 Вт/(м2"К)), но они стоят значительно дороже. Наряду с экономией энергии, стеклопакеты создают в помещениях комфорт. На стоимость окна, прежде всего, влияет материал рамы и только потом - остекление. Применение стеклопакета с коэффициентом теплопередачи 1,3 или даже 1,11 Вт/м2-К не ведёт к резкому повышению стоимости окна в отличие, например, от использования деревянных рам из склеенной ангарской сосны.

Преобразование солнечной энергии.

Энергию солнца можно использовать не только пассивно (за счёт преимущественного расположения остеклённых поверхностей дома на южную сторону), но и активно. В этом случае речь идёт об использовании солнечных батарей и солнечных водонагревателей, с помощью которых можно подогревать воду для ванной, душа и системы отопления.

1. Жидкостный солнечный коллектор;
2. Щит автоматики;
3. Теплообменник;
4. Разбор подогретой воды;
5. Змеевик контура отопительного котла;
6. Змеевик-теплообменник солнечной станции;
7. Трубопровод подпитки теплообменника;
8. Трубопровод подпитки солнечного коллектора.

При проектировании дома необходимо предусмотреть прокладку теплоизолированных труб от солнечного к потребителям горячей воды. Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую через фотоэлектрические элементы, сегодня уже достаточно совершенен, но пока для частного домостроения экономически оправдано только использование солнечных водонагревателей.

Наряду с потерями тепла через конструктивные элементы здания, оно теряется и при вентилировании помещений.

Проверено, что в условиях хорошо утеплённого дома вентиляционные потери тепла достигают 30-50%. При этом тепло теряется в результате замены тёплого воздуха на свежий, но более холодный.

Этот процесс совершенно необходим для создания нормальных микроклиматических условий в доме. Потребность в вентиляции особенно заметна в энергоэффективном доме, где пути проникновения в дом холодного свежего воздуха надёжно перекрыты уплотнениями.

Эффективным решением в борьбе с теплопотерями, является монтаж системы вентиляции с рекуперацией (возвратом) тепла, которое у современных моделей достигает 80-85%.

На этапе проектирования нужно обязательно предусмотреть место расположения рекуператора и трубопроводов.

Однако эффективная система вентиляции, исходя из практики, является самым распространенным элементом строительства, на котором всегда экономят. Поскольку потребность жильцов дома в чистом свежем воздухе не уменьшается, им приходится постоянно оплачивать перерасход электроэнергии или газа, который уходит на компенсацию выветриваемого тепла.

Задумайтесь: какой смысл дополнительно уплотнять и утеплять конструкции помещений, если тепло уходит наружу через открытые окна и двери?

Без установки эффективной системы вентиляции с этими теплопотерями остается смириться. Их можно только немного сократить, на 25-30% (или на 10-15% от общего объема потерь тепла) за счет правильного проветривания. Вне отопительного сезона, естественно, вентилировать дом можно сколько угодно. Проводить так называемое сквозняковое вентилирование, рекомендуется хотя бы в порядке соблюдения гигиенических норм. Полезно не менее двух-трёх раз в день на короткое время настежь открывать окна, создавая сквозняк.

Время, необходимое для воздухообмена, зависит от температуры и влажности наружного воздуха и силы ветра. Чем холоднее и суше на улице, тем короче должен быть процесс проветривания. Водяной пар, а также запахи, образующиеся при принятии ванны или душа, следует сразу же удалять проветриванием помещения. В зимнее время это нужно делать осторожно, так как сквозняк может не только нанести вред здоровью обитателей дома, но и повлечь за собой потерю значительного количества тепла. Известно, человек не лишён слабостей, к которым можно отнести и непреднамеренное пренебрежительное отношение к соблюдению правил. В данном случае - это правила проветривания помещений. Зачастую, когда жарко, мы не уменьшаем мощность системы отопления, а открываем форточку. Так не поручить ли это дело вентиляционной технике, управляемой компьютером в автономном режиме?

Телевизоры, стиральные машины, электрочайники, утюги, варочные панели, сплит-системы, лампочки - все они потребляют значительное количество электроэнергии. Сегодня сократить ее расход достаточно просто. Нужно при покупке каждого электроприбора обращать на его класс энергопотребления, он должен быть ААА.

Для освещения дома лучше всего использовать лампы на основе LED технологии. Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников света. Принцип свечения светодиодов позволяет использовать в производстве и работе самой лампы безопасные компоненты. Они не содержат токсичных веществ, поэтому не представляют опасности в случае выхода из строя или разрушения. Срок службы светодиодной лампы составляет до 100 000 часов. А повышенная энергоемкость позволяет потреблять в 10 раз меньше электроэнергии по сравнению с традиционными лампами накаливания.

13. Экономный расход воды и возврат теплоты от использованной теплой воды.

Производители сантехнического оборудования за последнее десятилетие разработали много различных конструкций смесителей, кранов и других элементов сантехнического оборудования, которые позволяют сократить расход воды на 40-50%, без потери моющих свойств потока воды.

Разработаны инновационные системы полива цветников и газонов частных домов, которые сокращают расход воды на полив 40-60%. Системы объединяют в себе локальные датчики, региональные прогнозы погоды и интеллектуальный алгоритм для выбора оптимального режима полива растений на приусадебном участке. Датчики вставляются в каждую зону полива и отслеживают влажность, температуру почвы и освещенность территории. В систему встроен микроконтроллер, который подсоединяет датчики по беспроводной технологии Wi-Fi к домашней сети для контроля времени и продолжительности полива. А микроконтроллер, анализируя все полученные данные, сам выбирает оптимальный режим полива.

В 2012г. конструкторы систем рекуперации частных домов из Англии и Бельгии представили очень компактные системы, которые позволяют возвращать тепловую энергию от сточных вод обратно в дом. КПД таких систем около 60%.

СТОИТ ЛИ ВСЕ ЭТО ТОГО, ЧТОБЫ НЕСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РАСХОДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ?

Ответ на этот вопрос могут дать реальные цифры экономии и подтвержденные факты.

1. Стоимость самого популярного в России источника тепловой энергии –природного газа в 2017г. в Ростове-на-Дону составляла 5,5 руб./м3. Тенденция цены – ежегодный плавный рост до уровня общемировых цен, как это уже произошло с бензином, стоимость которого на внутреннем рынке сравнялась с его стоимостью на рынках Европы и Северной Америки. Сегодня средняя цена 1м3 природного газа, например в Европе, составляет 0,37 $/м3, т.е. 13,3 руб./м3. Если предположить, что ежегодное повышение цены составит всего 9%, то цена газа на внутреннем рынке достигнет уровня среднемировой к 2025г.
2. Среднемесячный объем энергопотребления газа в зимний период обычным домом 100м2 (ж/б фундамент, система «теплый пол» без утепления, стены 1,5 кирпича с цементной штукатуркой, с обычными металлопластиковыми окнами, утеплением кровли 150мм и без приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла), составляет 850-900м3. В ценах 2017г. это 4,8т.р./месяц, но в 2025г. с очень высокой степень вероятности, отопление этого дома будет в среднем стоить 11,5т.р./месяц, или около 60000 руб. за отопительный период.
3. Собственники домов вышеописанной конструкции, имеющие столь огромные расходы на отопление, будут вынуждены делать их утепление, минимальная стоимость которого в ценах 2017г., для 1эт. дома 100м2 (чтобы привести в соответствие со СНиП 2302-2003 «Тепловая защита зданий») составляет около 320 тыс.руб. Если они не будут заниматься теплоизоляцией, то им придется смириться с тем, что суммы оплаты за потребленные энергоресурсы будут огромны, их дома будут оценены рынком значительно ниже, чем те, которые построены в соответствии со стандартами энергосбережения. Покупатели домов проверяют это просто, они поросят квитанции об оплате коммунальных платежей за прошлый год.

Самые актуальные вопросы:

На сколько увеличится стоимость строительства, если все делать сразу в соответствии с существующими нормативами по теплосбережению?

В среднем от 3% до 10%, все зависит от архитектурного проекта, изначально правильно выбранных инженерных решений по конструкции дома, строительных материалов и технологий.

Через сколько лет эти дополнительные вложения в сохранение тепла окупятся?

Например: при строительстве 1эт. дома 100м2 (по классической вышеописанной схеме), первоначальная стоимость возведения составила 2100 тыс. руб. После корректировки, с целью уложиться в требования СНиП 2302-2003 «Тепловая защита зданий», смета увеличилась на 90 тыс.руб. При этом энергопотребление снизится не менее, чем на 30% (обычно 35-40%), а ежегодная экономия за отопительный период составит не менее 1400м3 природного газа. В 2017г. цена 1м3 газа в Ростове-на-Дону составляла 5,5руб. При условии ежегодного подорожания газа не более, чем на 9%, затраты окупятся на 8-й год. Однако гораздо важнее то, что спустя эти 8 лет все равно придется проводить комплекс мероприятий по энергосбережению дома, чтобы его содержание не стало тяжелым финансовым бременем для семьи. А стоимость переделки элементов дома будет почти в 4 раза дороже, по сравнению 80 тыс.руб. затрат на энергосбережение на этапе строительства.

Есть реальные примеры построенных Вами домов, у которых на 30-40% меньше расход газа на отопление, без ущерба для комфорта проживания?

Более 70% наших Клиентов приняли решение о строительстве таких домов, и уже живут в них. Однако, с 2014г. мы начали предлагать заказчикам и реализовывать в проектах комплексные инженерные решения по всем конструкциям элементов дома, которые позволяют сократить расход энергоресурсов во время эксплуатации еще на 20-30%.

Энергетическая стратегия энергосбережения в зданиях должна строиться на формировании и реализации стимулов экономного использования природных ресурсов. Главным мотивом энергосбережения должно быть сохранение окружающей естественной среды и даже ее улучшение, а также защита интересов будущих поколений в сохранении традиционных природных источников энергии, но уже как сырья для химической и медицинской промышленности.

Строительство современных многоэтажных и многофункциональных зданий является молодой отраслью. Такой же молодой как и ультрапрогрессивные отрасли второй половины ХХ века - самолетостроение и вычислительная техника. Однако строительство за последние годы по сравнению с ними претерпело не столь значительные изменения.

Изучение и решение проблем энергосбережения, возникшие при строительстве современных зданий, стали мощным импульсом к изучению проблем микроклимата и климатизации здания. Этим и объясняется имеющая место широкая номенклатура зданий на основе различных концепций энергетически эффективных и экологически чистых технологий.

В основе концепций проектирования современных зданий лежит идея того, что качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни как дома, так и на рабочем месте или в местах общего пользования, составляющих основу наших городов.

Концепции имеют собственное наименование. Наиболее известные из них:

• энергоэффективное здание(energy efficient building);
• пассивное здание (passive building);
• умное здание (smart building);
• здоровое здание (healthy building);
• интеллектуальное здание (intelligent building);
• здание с низким энергопотреблением (low energy building);
• здание с ультранизким энергопотреблением (ultralow energy building);
• здание высоких технологий (high-tech building);
• биоклиматическая архитектура (bioclimatic architecture);
• экологическинейтральное здание;
• sustainable building(сохранение окружающей среды);
• advanced building(перевод с англ. -усовершенствованное здание).

Современное здание, с точки зрения эффективности, характеризуется потребительскими системами показателей. Одна из главных потребительских систем показателей здания - система показателей энергетической эффективности здания.

Современный технически образованный человек выберет систему энергоэффективности жилья, при оценке его как будущий владелец, если на первый план им выдвигается необходимость экономии энергии.

Энергоэффективное здание - это здание, в котором экономия энергоресурсов достигается за счет применения инновационных решений, технически осуществимых, экономически обоснованных, приемлемых с экологической и социальной точек зрения и не изменяющих привычный образ жизни.

Энергоэффективные дома, по сути, становятся европейским стандартом . Наибольшим практическим опытом реализации проектов энергоэффективных пассивных домов обладают:

• страны Западной Европы, и в первую очередь, Германия;

Швеция: 2-х этажные жилые солнечные дома из дерева в г. Карльстаде (59° с.ш.), расположены так, чтобы не было взаимного затенения;

• в Хельсинки,Финляндия, построен энергоэффективный жилой район;

в Лондоне,Великобритания, успешно реализован проект энергоэффективного общественного здания мэрии;

в американской практике в "холодных" районах, давно уже строятся суперизолированные дома с тройным остеклением северных фасадов и усиленной теплоизоляцией наружных поверхностей;

в Канаде, накоплен опыт строительства суперизолированных домов с малым потреблением энергии на отопление, построены солнечные дома в провинции Квебек, в провинции Саскачеван, климатические условия которой характеризуются зимней расчетной температурой -34,5°С;

• в России условиях Юго-Западной Сибири с 1981года построены солнечные дома по 3-м вариантам.

Сегодня, для строительства в России энергоэффективных и экологически чистых зданий, по мнению специалистов, есть два стимулирующих обстоятельства :

1. При конкурентной борьбе на рынке жилых и общественных зданий всё больше главную роль играют показатели потребительских качеств здания, определяющими из которых являются: обеспечение качества микроклимата и энергоэффективность здания;
2. Инвесторы приходят к выводу о целесообразности сдачи площадей в аренду, а не о целесообразности их продажи, из-за растущей инфляции и изменений стоимости на жилье и общественные помещения, поэтому они заинтересованы во внедрении энергосберегающих технологий при строительстве зданий и в создании собственных управляющих компаний по эксплуатации этих зданий.

В России вполне реализуемы многие составляющие концепции энергоэффективного дома. Так, при реконструкции жилого фонда, успешно применяются технологии первоочередных мероприятий по повышению энергоэффективности зданий, таких как:

• утепление фасадов с использованием современных теплоизоляционных материалов;
• установка современных высокоэффективных оконных систем с применением схем принудительной вентиляции.

Начальное вложение в практическое внедрение энергосберегающих технологий стоит недешево, но большие капитальные затраты можно считать долгосрочной и весьма надежной инвестицией , т.к. они окупаются за счет дальнейших низких эксплуатационных расходов. Расходы на эксплуатацию, после внедрения энергосберегающих технологий, снижаются на 25-30%. К сожалению, эта невысокая разница служит аргументом для тех, кто необоснованно занижает сумму первоначальных вложений в энергоффективность здания при строительстве и реконструкции. С другой стороны, чересчур высокие начальные инвестиции не смогут окупиться за всё время эксплуатации здания.

В последнее время, в связи с обострением проблем экономии энергоресурсов и защиты окружающей среды, резко возрос интерес к использованию нетрадиционных видов энергии , таких как солнечная энергия, ветровая энергия и др. Возобновляемые источники энергии: солнце, ветер и др., с давних пор используются человеком. Солнечная энергия, применяемая в концепциях проектирования современного здания - пассивный дом и солнечный дом , оказывает существенное влияние на снижение потребления энергии от традиционных источников - нагревательных и охладительных устройств.

Отличительными чертами пассивного здания являются:

• компактность и хорошая изоляция наружных ограждающих частей здания, в 2-3 раза превышающая нормативные показатели сопротивления теплопередаче;
• пассивное использование солнечной энергии, с обязательным остеклением южной части здания и учетом особенностей затенения;
• энергоэффективное остекление с сопротивлением теплопередачи оконных конструкций не менее 0,8 м.°С/Вт;
• воздухонепроницаемость, с допустимой утечкой воздуха через неуплотненные соединения не выше 0.6 объема помещения в час;
• пассивное предварительное нагревание свежего воздуха, поступающего в дом по подземным трубам, предварительно нагреваясь от соприкосновения с почвой почти до 5°C, даже в холодные зимние дни;
• высокоэффективный воздухообмен: более 80%;
• подача горячей воды с использованием регенеративных источников энергии: например, солнечных коллекторов;
• применение термической массы из теплоаккумулирующих материалов для сохранения тепла в холодные ночи и для поддержания прохлады в жаркие дни.

Теплоаккумулирующая среда, применяемая в термической массе пассивного дома, представлена тремя основными видами: камни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением). Особенность теплоаккумулирующих материалов в том, что они обладают высокой тепловой инерцией.

Тепловая инерция - это способность материалов или среды поглощать тепло и сохранять его по мере нагрева. Если окружающая температура понижается, то накопленное тепло поступает в окружающую среду, а сами материалы или среда охлаждаются. Но для охлаждения или нагрева до изменившейся температуры окружающего воздуха требуется некоторое время.

Солнечная энергия, попав внутрь дома, может передаваться на поверхность термической теплоаккумулирующей массы, от других, освещенных солнцем поверхностей, за счет отражения и теплового излучения. Стремитесь располагать тепловую массу во всех освещаемых солнцем поверхностях. При поглощении теплоаккумулирующими материалами солнечной энергии, происходит повышение температуры на поверхности материалов. Энергия, поглощенная поверхностью, передается внутрь материала путем теплопроводности.

Поглощательная способность поверхности теплоаккумулирующих материалов различна и зависит от :

Термическая масса , на которую падает прямое солнечное излучение, должна иметь значительную площадь без чрезмерной толщины, поэтому тонкие теплоаккумулирующие плиты эффективнее толстых. Наиболее эффективная толщина для бетонной теплоаккумулирующей плиты — 100 мм, увеличение толщины более 150 мм является бессмысленным. Наиболее эффективная толщина для древесины — 25 мм.

Полы в пассивном доме должны иметь темную окраску, т.к. темный цвет, поглощает солнечное излучение, а не отражает его, и делает сам пол более теплым и легко поддающимся чистке.

Термическая масса стен и потолков должна быть светлой, т.к. темная стена, быстро нагреваясь, создаст направленный вверх термосифонный воздушный поток, приводящий к перегреву помещения.

Наиболее эффективными аккумулирующими контейнерами являются составляющие здание стены, перекрытия, крыши, внутренние перегородки, а также мебель. К источникам энергии в жилом доме можно отнести кухонную плиту, работающие бытовые электроприборы, лампы освещения, людей и животных, т.е. все те поверхности тел, которые имеют температуру выше или ниже температуры воздуха и излучают энергию в виде волн различной длины. Например, спокойно сидящий человек имеет тепловую мощность 120 ватт. Суммарно эти тепловыделения достигают немалых величин, сравнимых с мощностью систем отопления.

Термическая масса(необходимой толщины и площади), поглощая тепло в жаркое время суток, охлаждает помещение, а при понижении температуры воздуха и поступлении этого воздуха в здание, либо за счет естественной циркуляции через проемы, например вентиляционные отверстия или окна, либо принудительно при помощи вентиляторов, термическая масса, медленно охлаждаясь, путем конвективного теплообмена, нагревает воздух в помещении. За тот период времени, пока термическая масса, обладающая инерцией, снова нагреется до температуры окружающего воздуха, необходимости в кондиционировании воздуха в помещении не будет.

Описание:

Мировой энергетический кризис 70-х годов привел, в частности, к появлению нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с понятием "здание с эффективным использованием энергии". Первое такое здание было построено в 1974 году в г. Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США). Цель строительства этого здания, как, впрочем, и всех, последовавших за ним в рамках нового направления, заключалась в выявлении суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. В последние годы значительно увеличился объем строительства зданий различного технологического назначения с эффективным использованием энергии, и получили развитие в международной практике стандарты, правила и другие нормативные документы по проектированию и оценке энергоэффективности таких зданий (см. журнал АВОК, 1997, №№ 2, 4, 6). В России в рамках международной программы Европейской экономической комиссии ООН "Энергетическая эффективность-2000" осуществляются проекты по строительству демонстрационных зон высокой энергетической эффективности.

Научные основы проектирования энергоэффективных зданий

Ю. А. Табунщиков , президент АВОК, член-корр. Российской Академии архитектуры и строительных наук

М. М. Бродач , вице-президент АВОК, канд. техн. наук, Московский архитектурный институт

Введение

Мировой энергетический кризис 70-х годов привел, в частности, к появлению нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с понятием "здание с эффективным использованием энергии". Первое такое здание было построено в 1974 году в г. Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США). Цель строительства этого здания, как, впрочем, и всех, последовавших за ним в рамках нового направления, заключалась в выявлении суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. В последние годы значительно увеличился объем строительства зданий различного технологического назначения с эффективным использованием энергии, и получили развитие в международной практике стандарты, правила и другие нормативные документы по проектированию и оценке энергоэффективности таких зданий (см. журнал АВОК, 1997, №№ 2, 4, 6). В России в рамках международной программы Европейской экономической комиссии ООН "Энергетическая эффективность-2000" осуществляются проекты по строительству демонстрационных зон высокой энергетической эффективности.

Вместе с тем ощущается явная нехватка информации о научных методах, на основе которых осуществляется проектирование зданий. Не менее остро ощущается также и необходимость уточнения терминологии.

Авторами предлагается использовать два понятия: энергоэффективные здания и энергоэкономичные здания. Дадим следующие определения. Энергоэффективное здание включает в себя совокупность архитектурных и инженерных решений, наилучшим образом отвечающих целям минимизации расходования энергии на обеспечение микроклимата в помещениях здания. Энергоэкономичное здание включает в себя отдельные решения или систему решений, направленных на снижение расхода энергии на обеспечение микроклимата в помещениях здания. Из приведенных определений ясно различие между энергоэффективным и энергоэкономичным зданиями. Первое есть результат выбора определенными научными методами совокупности технических решений, наилучшим образом отвечающих поставленной цели. Второе есть результат суммирования ряда энергосберегающих решений в одном объекте.

С точки зрения современной науки, задача проектирования энергоэффективных зданий относится к так называемым задачам "системного анализа" или задачам "исследования операций", поиск решения которых связан с выбором альтернативы и требует анализа сложной информации различной физической природы . Цель методов системного анализа или исследования операций - предварительное количественное обоснование оптимальных решений. Оптимальными здесь называются решения, которые по тем или иным признакам предпочтительнее всех других.

Исследование операций включает в себя три главных направления:

Построение математической модели, то есть описание процесса на языке математики;

Выбор целевой функции. Это исследование включает в себя определение ограничивающих условий и формулирование оптимизационной задачи;

Решение поставленной оптимизационной задачи.

Заметим, что принятие окончательного решения выходит за рамки исследования операций и относится к компетенции ответственного лица (чаще группы лиц), которому предоставлено право окончательного выбора и на которого возложена ответственность за этот выбор. Делая выбор, он может учитывать наряду с рекомендациями, вытекающими из математического расчета, еще ряд соображений количественного и качественного характера, которые в этих расчетах не были учтены.

Основная часть

Математическая модель и целевая функция для энергоэффективного здания

В соответствии с методологией системного анализа математическую модель теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных моделей, более удобных для изучения :

Математической модели теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание;

Математической модели теплоаккумуляционных характеристик оболочки здания;

Математической модели теплоэнергетического баланса помещений здания.

Подробное описание математических моделей отдельных элементов здания и здания как единой энергетической системы дано в .

Оптимизационная задача для энергоэффективного здания имеет следующее содержание: определить показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии на создание микроклимата в помещениях здания. В обобщенном математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать так:

где
Q min - минимальный расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания;
a i - показатели архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии.

При реальном проектировании энергоэффективное здание в большинстве случаев не будет реализовано из-за ряда ограничений, вытекающих из конкретной строительной ситуации или из-за ряда соображений количественного или качественного характера, которые не были учтены при математическом моделировании. В этом случае целесообразно ввести показатель, характеризующий степень отличия реализованного решения от оптимального. В других случаях этот же показатель может служить критерием оценки искусства проектировщика. Назовем эту величину "показателем теплоэнергетической эффективности проектного решения" и обозначим h , так что по определению

h = Q эф /Q пр

где
Q эф - расход энергии на создание микроклимата в помещениях энергоэффективного здания;
Q пр - расход энергии на создание микроклимата в помещениях здания, принятого к проектированию.

С учетом принятого разделения математической модели теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы на три взаимосвязанных подмодели можно записать

h = h 1 h 2 h 3 ,

где
h 1 - показатель теплоэнергетической эффективности оптимального учета воздействия наружного климата на здание;
h 2 - показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора тепло- и солнцезащитных характеристик наружных ограждающих конструкций;
h 3 - показатель теплоэнергетической эффективности оптимального выбора систем обеспечения микроклимата.

Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания

Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора формы здания (для зданий прямоугольной формы принимаются в расчет такие параметры, как его размеры и ориентация), расположения и площадей заполнения световых проемов, регулирования фильтрационных потоков. Например, удачный выбор ориентации и размеров здания прямоугольной формы дает возможность в теплый период года уменьшить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и, следовательно, снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период - увеличить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и уменьшить затраты на отопление. Аналогичные результаты будут получены при удачном выборе ориентации и размеров здания по отношению к воздействию ветра на его тепловой баланс.

Методология проектирования систем отопления, вентиляции, кондиционирования основана на расчетах тепловых и воздушных балансов здания для характерных периодов года. Например, для России этими периодами года являются: наиболее холодная пятидневка, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения, расчетный год. В этом случае оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора его формы и ориентации даст следующие результаты:

Для наиболее холодной пятидневки - снижение установочной мощности системы отопления;

Для отопительного периода - снижение затрат теплоты на отопление;

Для самого жаркого месяца - снижение установочной мощности системы кондиционирования воздуха;

Для периода охлаждения - снижение затрат энергии на охлаждение здания;

Для расчетного года - снижение затрат энергии на обогрев и охлаждение здания.

В общем случае оптимизировать теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно для любого характерного периода времени.

Важно отметить следующее: изменение формы здания или его размеров и ориентации с целью оптимизации влияния наружного климата на его тепловой баланс не требует изменения площадей или объема здания - они сохраняются фиксированными.

Решение задачи по выбору оптимальной формы здания приведено в , а решение задачи по выбору оптимальных размеров и ориентации здания прямоугольной формы, а также значения показателя тепловой эффективности проектного решения приведены в .

Рисунок 1 .

На рис. 1 приведен пример изменения формы здания с целью оптимизации теплоэнергетического воздействия климата на его тепловой баланс в зависимости от характерного периода года.

Авторами были проведены исследования влияния теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания за счет выбора оптимальных значений его размеров и ориентации. Расчеты проводились для климатических условий Москвы (560 с. ш.) и Ростова-на-Дону (480 с. ш.). Исходная ориентация принималась широтной, меридиональной и диагональной. В качестве объекта исследований принималось здание прямоугольной в плане формы, общей полезной площадью 1440 м 2 . В качестве целевой функции принята минимизация затрат энергии на обогрев здания в холодный период или на охлаждение здания в теплый период. Цель исследований - выявить, как количественно увеличивается показатель теплоэнергетической эффективности здания за счет оптимального учета воздействия наружного климата на тепловой баланс здания. Результаты исследований приведены в табл. 1.

Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания

В традиционном понимании оптимизация теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий - это метод вычисления толщины теплоизоляции конструкции "по минимуму приведенных затрат". Математическая модель приведенных затрат в общем случае включает в себя два показателя: затраты на производство конструкций (единовременные затраты) и затраты на их использование (эксплуатационные затраты). Расчет теплоизоляции "по минимуму приведенных затрат" является объективным методом, признанным во всем мире, но содержит в своей сущности скрытую опасность, отражающую объективную реальность существующей в стране экономической ситуации, которая может явиться непреодолимым препятствием реализации метода на практике. Это связано с использованием в методе показателей стоимости энергии и материалов. Многим специалистам памятна история со СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", который был разработан по заданию высших правительственных органов с целью существенного ужесточения требований к экономии топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации зданий. Ожидалось, что главным достоинством этого документа явится введение в него метода приведенных затрат для выбора оптимальной теплозащиты ограждающих конструкций. При этом теплозащита ограждающих конструкций, включая заполнение световых проемов, должна была приниматься как наибольшая из двух величин, определяемых по санитарно-гигиеническим условиям и по минимуму приведенных затрат. Безусловно, предполагалось, что метод приведенных затрат даст большее значение теплозащиты, и это явится решением проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов. Но... экономическая реальность складывалась таким образом, что энергия стоила дешевле газированной воды, и проектировщики при расчетах получили, что теплозащита по санитарно-гигиеническим требованиям превосходит величину, определенную по минимуму приведенных затрат. В строительном комплексе сложилась драматическая ситуация, которая усугублялась тем обстоятельством, что нельзя было выявить виновных. Метод был выбран правильно, но нельзя же было признать, что экономика социализма несостоятельна! Сегодня использование метода приведенных затрат сталкивается с другой, пока непреодолимой трудностью. Отсутствуют надежные, прогнозируемые на ближайшие 20-30 лет показатели стоимости энергии и материалов.

Вышеизложенное относится к проблеме экономической оптимизации теплозащиты ограждающих конструкций здания. Цель настоящей статьи - поиск решения проблемы теплоэнергетической оптимизации ограждающих конструкций.

Возможность решения этой проблемы в ее современном понимании и современными методами показана в ряде работ . Современное понимание означает, что будет достигнуто решение, которое с учетом принятых ограничений является наиболее предпочтительным. Современные методы - это методы исследования операций. Рассмотрим это более подробно.

К наружным ограждающим конструкциям предъявляется в общем случае достаточно большое количество требований. Высокий уровень теплозащиты в холодный период в условиях теплопередачи, близкой к стационарному режиму, высокий уровень теплоустойчивости в теплый и холодный периоды в условиях теплопередачи, близкой к периодическому режиму, низкая энергоемкость внутренних слоев при колебаниях теплового потока внутри помещения, высокая степень воздухонепроницаемости, низкая влагоемкость и т.д. и т.п.

Безусловно, при проектировании стремятся удовлетворить, в первую очередь, главным требованиям. Практика показывает, что количество таких требований, как правило, не более двух. В первую очередь, это теплозащита и теплоустойчивость. Здесь открываются большие возможности для оптимизации. Сущность ее состоит в том, что надо сконструировать методом исследования операций ограждающую конструкцию, которая оптимальным образом удовлетворяла бы требуемым (нормативным) значениям теплозащиты и теплоустойчивости.

В решена задача определения оптимального расположения слоев материалов в многослойной ограждающей конструкции. Дано подробное решение задачи и показано, что в зависимости от порядка расположения слоев материала величина теплоустойчивости конструкции может меняться в три раза.

В решена задача подбора материала для многослойной ограждающей конструкции заданной фиксированной толщины, обеспечивающей наибольшее затухание наружных тепловых воздействий. Получено решение: наибольшее затухание обеспечивает материал, имеющий меньшую теплопроводность и большую объемную теплоемкость. Следствие решения: для районов с жарким климатом целесообразно выбирать конструкцию с меньшими значениями теплопроводности материалов, а для районов с холодным климатом - с большими значениями коэффициентов теплоусвоения материалов.

В решена задача определения предельных значений теплозащиты наружных ограждающих конструкций помещения при заданном значении солнцезащиты окон и заданной кратности воздухообмена. Помещение не оборудовано установкой кондиционирования. В результате решения получены следующие интересные выводы:

Теплозащита ограждающих конструкций не влияет на температурный режим помещения при определенных значениях солнцезащиты окон и кратности воздухообмена;

Увеличение теплозащиты наружных ограждающих конструкций приводит к ухудшению теплового режима помещения, если теплозащита окон недостаточна и кратность воздухообмена невелика.

Последний результат требует особой внимательности от проектировщиков, которые используют наружные ограждающие конструкции с эффективной теплоизоляцией для зданий, проектируемых для строительства в теплом климате.

В содержится ряд интересных решений по оптимизации теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий с кондиционированием воздуха, для окон с теплоотражающей пленкой, для зданий с периодическим отоплением и т.д.

Оптимизация тепловой нагрузки на систему климатизации помещений здания

Специалисту, занимающемуся проектированием и расчетом систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, очевидно, что задачей проектирования и расчета является определение двух взаимосвязанных показателей: количества энергии и способа ее распределения (раздачи). По существу, речь идет о том, чтобы рассчитать и запроектировать такую систему управления расходом и распределением энергии, чтобы обеспечить при использовании ее минимальный расход. Таким образом, задача оптимизации теплоэнергетической нагрузки на систему обеспечения теплового режима здания будет относиться к так называемым задачам на оптимальное управление и получит следующее содержание: найти такое управление расходом энергии Q(t) на обогрев помещения, удовлетворяющее уравнению теплового баланса помещения и соответствующим начальным и конечным тепловым условиям, для которого расход энергии

имеет наименьшее возможное значение.

Управление Q(t) , дающее решение поставленной задачи, называется оптимальным управлением, а соответствующая траектория изменения температуры внутреннего воздуха называется оптимальной траекторией.

Суть решения: время разогрева помещения должно быть минимизировано.

Если иметь в виду, что реальное помещение есть совокупность теплоемких ограждающих конструкций и теплоемкого внутреннего оборудования (мебели), то процесс нагрева предполагает повышение температуры всей совокупности элементов помещения, то есть ограждающих конструкций и оборудования. Элементы высокой тепловой аккумуляции потребуют большего времени на разогрев. Следовательно, минимизация времени разогрева помещения достигается минимизацией времени разогрева элементов высокой тепловой аккумуляции. Можно сразу указать два простых случая: время разогрева помещения будет стремиться к минимуму, если внутренние поверхности ограждающих конструкций имеют низкие значения коэффициента теплоусвоения материалов, а также если имеет место высокая интенсивность конвективного теплообмена между внутренним воздухом и внутренними поверхностями ограждающих конструкций. Оптимальный результат достигается, если совпадают оба случая.

Правильность этого решения получила подтверждение во время обсуждения доклада авторов по данной теме в Датском техническом университете. Датские специалисты сообщили, что во время реставрации католического собора с массивными каменными креслами для прихожан с целью экономии энергии на обогрев собора, используя понижение температуры внутреннего воздуха в ночное время, ими было принято решение разогрев собора начинать с разогрева электрическими подогревателями массивных каменных кресел. Экономия энергии составила 30-35%.

Авторы статьи проделали численные расчеты расхода энергии для помещения площадью 24 м 2 и объемом 72 м 3 с двумя наружными ограждающими конструкциями и окном с двойным остеклением площадью 3 м 2 . Рассмотрены три варианта наружных ограждающих конструкций:

Кирпичная кладка толщиной 0,56 м, коэффициент теплоусвоения 8,02 Вт/(м 2 o С);

Керамзитобетонная панель толщиной 0,23 м, коэффициент теплоусвоения 3,36 т/(м 2 С);

Панель типа "сэндвич" с утеплителем из плиточного пенопласта с обшивкой с двух сторон металлическими листами, толщина панели 0,052 м, коэффициент теплоусвоения 0,77 Вт/(м 2 o С).

Для сопоставления результатов расчетов ограждающие конструкции имеют одинаковое термическое сопротивление. Кратность воздухообмена принята 3 1/ч. Температура наружного воздуха -5 o С.

Начальные условия: температура внутреннего воздуха 10 o С, температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций 10 o С.

Конечные условия: температура внутреннего воздуха 22 o С, температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций 14 o С.

Чтобы обеспечить минимизацию времени разогрева, было принято, что разогрев осуществляется конвективными тепловыми струями, настилающимися на внутренние поверхности ограждающих конструкций (рис. 3). Интенсивность конвективного теплообмена соответствовала следующим трем значениям коэффициентов конвективного теплообмена:

a 1 =3,5 Вт/(м 2 o С); a 2 =10,5 Вт/(м 2 o С); a 3 = 21 Вт/(м 2 o С).

Результаты расчетов представлены в табл. 2.

В табл. 2 использованы условные обозначения:
Q - затраты энергии на разогрев, включая теплопотери через окна и за счет воздухообмена;
Э 1 - экономия энергии за счет повышения интенсивности конвективного теплообмена при одной и той же ограждающей конструкции;
Э 2 - экономия энергии за счет уменьшения теплоаккумуляционных показателей ограждающей конструкции (уменьшение коэффициента теплоусвоения).

Получен невероятный с точки зрения "здравого смысла" результат: максимальное значение экономии энергии при разогреве помещения при стремлении минимизировать время разогрева достигает 97%.

Такой результат был обеспечен выбором оптимальной стратегии распределения расходуемой энергии в помещениях, то есть нагрев начинался с разогрева теплоемких ограждающих конструкций. Практическую обоснованность такого подхода подтверждает использование потолочных теплоизлучателей "FRICO AB", производимых в Швеции (см. ИБ "Энергосбережение", 1996, № 9). Принципиальное отличие обогревателей "FRICO AB" состоит в том, что лучистое тепло направлено на нагрев пола помещения, а затем косвенным путем идет нагрев воздуха помещения. Применение потолочных теплоизлучателей "FRICO AB" обеспечивает экономию энергии до 50% по сравнению с конвективными методами обогрева.

Рассмотрение табл. 2 позволяет сделать следующие выводы:

Экономия энергии при разогреве помещения за счет увеличения интенсивности конвективного теплообмена в 3 раза достигает 64-70%, а при увеличении в 6 раз - 88%. При этом время разогрева уменьшается в среднем в 3 раза;

Экономия энергии при разогреве помещения при уменьшении теплоаккумуляционных показателей ограждающей конструкции (уменьшение коэффициента теплоусвоения) в 2,4 раза достигает 40%, а в 10,4 раза - достигает 55-62%. При этом время разогрева уменьшается в среднем соответственно в 3,8 и 16 раз.

Заключение

Авторы настоящей статьи не ставили своей целью подробное изложение методологии и математических методов для проектирования энергоэффективных зданий. Создание практически реализуемых в проектной практике методов проектирования энергоэффективных зданий требует дополнительной значительной работы и усилий коллектива специалистов.

Цель настоящей статьи - продемонстрировать заинтересованным специалистам, что в настоящее время существуют основы научных методов проектирования энергоэффективных зданий и попытаться дать им терминологическое определение. Авторы в полной мере отдают себе отчет, что ряд определений кому-то из коллег может показаться спорным и что отдельные положения нуждаются в дополнительном разъяснении. Поэтому мы с благодарностью примем пожелания и выслушаем все конструктивные замечания. Учитывая важность затронутых в статье вопросов для решения актуальных задач энергосбережения, мы готовы организовать встречу всех заинтересованных лиц для дальнейшей дискуссии. Если статья вызвала у специалистов интерес и натолкнула кого-то из них на некоторые раздумья, авторы будут считать, что достигли поставленной цели.

Литература

1. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1981.

2. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. - М.:Наука, 1988.

3. Табунщиков Ю.А. Основы математического моделирования теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы. Докторская диссертация. - М.: НИИСФ, 1983.

4. Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю., Матросов Ю.А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1986.

5. Tabunschikov Y. Mathematical models of thermal conditions in buildings, CRC Press, USA 1993.

6. Jurobic S.A. An investigation of the minimization of building energy load through optimization techniques. Los Angeles scientific center, IMB Corporation, Los Angeles, California.

7. Бродач М.М. Изопериметрическая оптимизация солнечной энергоактивности зданий. - Гелиотехника 2, Ташкент, 1990.

8. Бродач М.М. Энергетический паспорт зданий / АВОК, 1993, № 1/2.

9. Klaus Daniels, "The Technology of Ecological Building", Birkhauser-Verlag fur Arhitektur, Basel, 1997.

Энергетический кризис 1992 г. заставил переоценить масшта-бы и способы использования энергии для нормального функциони-рования высотных зданий.

Главной причиной роста энергопотребления считают процесс урбанизации, происходящий во всем мире. Повышенный объем энергопотребления связан со строительством, транспортом, использованием систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В на-стоящее время разработано множество проектных и инженерных решений с автономными системами жизнеобеспечения, а также с пассивными методами с минимальными затратами энергии, взаимосвязанными с природно-климатическими условиями местности. Дневное освещение, естественное затенение, энергетическая эффективность и фотогальванические фасады, ветровые энергетические системы и «висячие» сады внутри зданий - все это вносит свой вклад в значительный прогресс в направлении проектирования все более автономных и самоподдерживающихся высотных зданий. Кроме того, снижению энергоемкости служат архитектурные прие-мы, такие как ориентация здания по сторонам света с учетом преоб-ладающих направлений холодного ветра, максимальное остекление южных фасадов и минимальное остекление северных фасадов, что особенно актуально в нашем суровом климате.

Основные положения энергетической политики направлены на проектирование энергосберегающих комфортных зданий, в которых необходимо применение рациональных архитектурно-технических решений. В настоящее время около 40% всего добываемого в стране топлива расходуется на теплоснабжение и охлаждение зданий, вместе с тем, запасы традиционного природного топлива (угля, нефти, газа) постепенно истощаются как в нашей стране, так и во всем мире.

Одной из важнейших проблем, решаемой в высотных зданиях и комплексах, является их энергоэффективность. На энергоэффектив-ность высотного здания влияют такие факторы, как место расположе-ния объекта, ориентация по сторонам света, функциональное назначе-ние, объемно-пространственное и конструктивное решение, применяе-мые инженерные системы и оборудование. Концепция энергоэффек-тивности высотных зданий заключается в рассмотрении проблемы как единой системы, включающей функционирование зданий и окружаю-щую среду, их взаимовлияние и взаимозависимости друг на друга и нахождение совместного, рационального пути развития.

Существует четыре взаимосвязанных принципа энергоэффек-тивности: энергоэкономичность , интеграция , генерация , регенерация .

Энергоэкономичность - ряд мероприятий, обеспечивающих максимальную защиту потерь тепла наружными ограждениями зда-ний и создающих минимальное энергопотребление ресурсов для создания комфортных условий внутри здания.

Сохранение энергии внутри здания достигается в основном теплозащитой наружных ограждений - стен и окон, когда применя-ются эффективные теплоизоляционные материалы, а в окнах применяют газонаполненные стеклопакеты или стеклопакеты со стеклами с энергозащитными пленками и покрытиями.

Интеграция - комбинирование многих структурных элементов высотного здания, в частности использование природных и пассивных источников энергии, которые расположены поблизости под зданием и вокруг периметра здания. Принцип интеграции применен во многих высотных зданиях различного назначения: жилых домах, офисах, гостиницах и др.

Например, в офисном здании «Башня Жемчужной Реки» (Ки-тай) применены следующие системы интеграции (рисунок ниже):

• широкодиапазонная фотогальваническая система, которая интегрирует в себе наружную систему солнцезащиты и наружное остекление фасада (только южные фасады);
• применение фиксированных наружных жалюзи и встроен-ных электропанелей;
• протирку стекол на фасаде для обеспечения качественного естественного дневного освещения с автоматическим контролем ос-вещенности, которая совместно с автоматическими жалюзи регулирует освещенность помещений.

«Башня Жемчужной Реки» (Гуанчжоу, Китай)

Генерация - производство электроэнергии (электрического напряжения и тока) посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств. В высот-ных зданиях применяются ветряные двигатели, насосы, гелиоуста-новки, встроенные в здание ветровые турбины с вертикальной осью, спроектированные с учетом геометрии здания с целью максимально увеличить производительность турбин; автономные источники пи-тания микротурбин, которые представляют собой небольшие газо-вые турбины. Эти микротурбины позволяют зданию вырабатывать экономически чистую энергию с применением технологии, которую можно назвать «в достаточной мере ресурсосберегающей». Обычная городская электросеть теряет до 30-35% энергии в процессе транс-формирования электроэнергии от электростанции потребителю. Два электрогенератора, которые разработаны для «Башни Жемчужной Реки», расположены на том же участке по соседству с башней. Их эффективность - более 80%.

Микротурбины способны работать на различных видах топли-ва, таких как керосин, биогаз, дизельное топливо, пропан и природ-ный газ. Микротурбины имеют воздушное охлаждение. Горячий воздух может быть утилизирован и использован в качестве дополни-тельного источника тепла для здания. Это тепло может быть исполь-зовано для таких функций, как нагрев воды или абсорбционное ох-лаждение. Безопасность, низкий уровень шума и отсутствие вибрации делает микротурбины идеальными для установки на участке поблизости от дома.

Регенерация - использование регенерационных технологий, в соответствии с которыми затрачиваемая энергия компенсируется энергией, произведенной внутри здания. Однажды поступившая из-вне здания энергия или ресурс, например вода, должна быть повтор-но использована вновь и вновь. Пример «Башни Жемчужной Реки» включает в себя применение рециркуляции воздуха для предвари-тельного охлаждения или нагревания поступающего снаружи свеже-го воздуха, предназначенного в первую очередь для вентиляции жи-лых помещений в зависимости от времени года и состояния наруж-ного воздуха. В качестве положительного примера самодостаточно-го здания по потреблению электроэнергии, а также экономного рас-ходования воды можно привести 150-этажное многофункциональ-ное здание «Солар тауэр» (арх. Кисс и «Катчкарт Архитектс»), в ко-тором утилизирующие воду устройства и водоуловители располо-жены с промежутком 30 этажей (по высоте здания). Эти устройства очищают и делают пригодной для повторного употребления дожде-вую и бытовую сточную воду. В результате здание спускает только 10% бытовой сточной воды в городскую канализационную систему.

Энергосбережение - один из видов снижения затрат на ото-пление, кондиционирование, холодоснабжение зданий и комплек-сов. В мировой практике выработаны методы и приемы снижения энергозатрат при эксплуатации зданий, к ним относятся:

• компактность объемно-пространственной формы высотного здания;
• сокращение энергопотребления внутри здания за счет энер-госберегающих технологий;
• рациональная ориентация здания, с учетом инсоляции и опти-мального освещения, эффективное использование солнечной энергии наклонными гелиоприемниками, размещенными на южном фасаде;
• высокие теплозащитные характеристики наружных ограждений;
• применение систем регенерации и рекуперации тепла;
• рациональное потребление воды - применение и использо-вание подземных вод для обогрева и охлаждения помещений здания использование подземных вод в туалетных бачках вместо питьевой;
• применение энергоэффективного освещения;
• комфортность микроклимата помещений (механическая при-точно-вытяжная вентиляция);
• применение альтернативных источников энергии;
• сохранение природных ресурсов

Объемно-пространственная форма высотных зданий во многом может служить снижению потребления энергии, например, уменьше-нием остекленной поверхности северного фасада, путем создания та-кой формы здания, когда эффективно используются ветровые потоки для естественной вентиляции, что снизит часы работы механической вентиляции. Кроме того, объемно-пространственные решения высот-ных зданий с различными источниками получения энергии значи-тельно отличаются друг от друга. Если обычные высотные здания имеют ветрообтекаемую форму, то при применении ветровых турбин форма здания принимает ветроулавливающее очертание, обеспечи-вающее направленное движение ветровых потоков непосредственно на винты ветровых турбин по вертикали и горизонтали. Форма здания должна обеспечивать улавливание ветра и концентрированную подачу воздушных потоков к ветровым турбинам, например, возможно лепе-стковое расположение секций зданий с образованием концентратора, в узкой части которого размещается ветроприемное устройство. Инте-ресную форму исследовательского проекта здания «Венитиформ» с учетом аэродинамических ветровых воздействий предложил Норман Фостер. Объемно-пространственная форма здания напоминает собой скалу, которая в результате выветривания приобрела аэродинамиче-скую форму. Такая форма высотного здания, направляющая потоки ветра на ветровую турбину, способствует увеличению производства энергии. В здании применена ветровая турбина, которая будет выраба-тывать экологически чистую энергию, достаточную для обеспечения 1500 пригородных домов, разработанных той же фирмой.

Одним из эффективных способов снижения энергии являются архитектурно-планировочные решения - увеличенная ширина кор-пуса здания (14-18 м), минимальное соотношение площади наружных ограждений и ограждаемой площади здания (коэффициент ком-пактности), объемно-пространственная форма здания (снижение ветровой нагрузки, пониженной солнечной освещенности наружной поверхности здания), архитектурно-конструктивные решения, ин-женерные системы и оборудование (отопление, вентиляция и кон-диционирование воздуха, а также осветительные системы).

К ним относится:

• использование высокоэффективных активных двойных стен с внутренней вентиляцией в качестве наружного ограждения с меха-низированными жалюзи;
• радиаторы отопления потолочные на всю ширину здания с системой охлаждения внутри балок по периметру здания для создания комфорта;
• разъединённая (в отличие от «сдвоенной») система вентиля ции, проходящая под приподнятым полом, что обеспечивает досту1 к ней (вариант «с повышенным уровнем доступа»);
• система подсушивания (воздуха) с использованием тепла отведенного от фасада с двойными стенами, которые используютс: в качестве источника энергии;
• потребляющая мало энергии высокоэффективная систем освещения, использующая радиальное расположение осветительных панелей с целью обеспечить оптимальную освещенность.

Эффективным путем экономии энергоресурсов является использование альтернативных источников энергии с помощью гелиоустановок, ветровых турбин, использования энергии земли, комбинированных систем. Устройство гелиоустановок на высотных зданиях заключаются в высоком коэффициенте соотношения поверхности фасада и площади земельного участка. В некоторых климатических зонах и регионах 10 15% потребности высотного здания в электроэнергии можно обеспечивать за счет установки на его фасаде фотоэлектрических генераторов (коллекторов). Размер вышеуказанного объема выработки электроэнергии зависит от формы и ориентирования здания в пространстве, а также от степени затененности. Объем производимой электроэнергии обрати пропорционален плотности высотной застройки. Очевидно также, что более рациональное энергопотребление в процессе эксплуатации здания позволяет покрыть больший процент потребности в электроэнергии вышеуказанным способом.

Ветровые турбины на высотных зданиях производят приблизительно 10-15% от полного потребления энергии зданием. Работа совместно с гелиоустановками, они могут сократить потребление энергии высотным зданием до 20-30%. Еще 10-20% снижения потребления энергии достигается применением установок использования подземного тепла, включая геотермальные источники.

Ветровые генераторы, установленные на «Башне власти» (Тайвань), вырабатывают 8 МВт электроэнергии, достаточной для обеспечения работы инженерного оборудования всего здания (рисунок ниже).

Ветрогенераторы на здании «Башня власти» (Тайвань)

Одним из видов экономии ресурсов является сбережение воды. Практически сбережению водных ресурсов применительно высотным зданиям могут способствовать сбор дождевой воды, повторное использование «серой» (использованной в ваннах и душевых) и морской воды для слива в унитазах. Все это будет способствовать оздоровлению окружающей среды.

Из практики эксплуатации высотных зданий определено, что освещение здания потребляет примерно 20% энергии, эксплуатация лифтов около - 10%, почти вся остальная энергия идет на системы отопления и охлаждения.

Поиск новых источников энергии уже давно охватил мир. Ветрогенераторы и солнечные батареи активно используются в энергетическом комплексе ряда европейских стран. Например, в Скандинавских странах широко используются биотопливо и гидро-энергия (Швеция доводит долю возобновляемой энергии до 60% энергетического комплекса страны). Герма-ния и Испания - мировые лидеры по установленной мощности ветрогенераторов (18,5 и 10 ГВт соответственно). Помимо этого Герма-ния - крупнейший рынок фотогальванических систем (1,4 ГВт уста-новленной мощности солнечных батарей на начало 2006 г., что на 53% больше, чем в 2005-м) и систем солнечного отопления (установлено приблизительно 6,7 млн м коллекторов мощностью 4,69 термических ГВт, а в 2005-м было 664 МВт).

Во многих прогрессивных высотных зданиях все чаще исполь-зуются безредукторные машины лифтов с переменной скоростью, которые имеют более высокий КПД, выделяют меньше тепла при ра-боте. Помимо этого работа лифта организовывается таким образом, что энергия затрачивается только на подъем кабины. Спуск осущест-вляется под действием силы тяжести, при этом происходит притор-маживание двигателем, который в это время преобразовывает кине-матическую энергию в электрическую, возвращая в систему электро-питания примерно 30% электроэнергии, затраченной на подъем.

Внедрение альтернативных источников энергии, оборудова-ния для использования «серой» и дождевой воды, применение архи-тектурных приемов повысят экологичность высотных зданий, обеспечат экономию потребления энергии, вырабатываемой обычными источниками, снизят отрицательное влияние на окружающую среду.

Поиски новых и применение существующих альтернативных источников энергии создадут условия снижения энергопотребления из центральных источников, повысят экологическую безопасность зданий, обеспечат комфортную среду обитания людей.

В соответствии с определением, предложенным Американским советом по экологически чистому строительству (USGBC), понятие ресурсосбережения, также известного как «экологичное (или зеленое) проектирование», включает в себя три составляющие: непосредственно экологические преимущества, экономические преимущества, а так положительный вклад в охрану здоровья и в общее благополучие общества. Все три вышеперечисленных компонента можно учесть при проектировании строительных конструкций здания.

Ниже приводится список экологических, экономических и социальных аспектов ресурсосберегающего проектирования строительных конструкций в соответствии с определением USGBC:

• улучшение состояния и охрана окружающей среды, увеличение биологического разнообразия и его защита;
• сокращение объемов твердых отходов;
• сохранение природных ресурсов;
• сокращение энергопотребления при одновременном увеличении энергосбережения;
• снижение издержек за весь жизненный цикл объекта;
• снижение эксплуатационных издержек;
• здоровье и комфорт пользователей.

Мировые исследования показали, что двойные фасады здания могут уменьшить потребление энергии на 65 %, эксплуатационные расходы на 65 % и сократить выброс СО 2 на 50 % в холодном умеренном климатическом поясе Великобритании по сравнению с однослойным фасадом здания.

Применение методов и способов повышения энергоэффективности и энергосбережения в высотных зданиях и комплексах не только с помощью приборов и оборудования, но и путем применения рациональных объемно-пространственных, архитектурно-планировочных конструктивных решений позволит снизить энергопотребление, отрицательное воздействие на окружающую среду, повысить уровень комфорта проживания.

Что такое энергоэффективность? Это рациональное использование хозяйственным предприятием, жилым домом энергетических ресурсов. Иными словами, меньшее потребление электричества и тепла, чем прежде, но с сохранением того же уровня энергообеспечения технопроцессов или объектов недвижимости. Для более подробного и полного отображения степеней энергопотребления в России были введены классы энергоэффективности дома. Этот показатель прежде всего демонстрирует, насколько отклоняется от нормы удельный расход электричества, тепла.

Класс энергоэффективности дома - что это?

Мы установили, что энергетическая эффективность - это экономное применение комплекса энергоносителей. Иными словами, сокращение объема используемых ресурсов за счет модернизации качественных норм их применения.

Энергосбережение и энергоэффективность - не одно и то же! Первое понятие - сокращение использования энергоресурсов. Второе - более правильное и разумное их применение.

Что касается классов энергоэффективности в России, то на сегодня выделены следующие:

Самый высокий класс - это А. Жители домов такого типа потребляют минимальное количество энергии, обеспечивая при этом нормальную жизнедеятельность. Чем это хорошо собственникам жилья? Снижением затрат на коммунальные услуги. А в целом для страны, для всей планеты - улучшением экообстановки. Чем меньше энергоресурсов затрачиваются, тем меньше вредных выбросов от ГЭС, ТЭС, АЭС и проч.

Кстати, в классификации учитываются затраты энергии не только на личные, но и на общедомовые нужды. Подобная модель экономии не нова - она уже десятилетия используется в развитых странах мира. Именно на основе общемирового образца и был построен российский.

Как присваиваются классы жилым строениям?

На основе чего определяется класс энергоэффективности жилого дома? База - показатели потребления энергоресурсов за текущий год. Далее эксперт сравнивает их с аналогичной информацией за прошлый год. На основе этого анализа уже и определяется класс энергоэффективности жилого дома. Также исследование помогает ответить и на следующие вопросы:

В будущем планируется заводить на каждое жилое здание свой энергопаспорт. В него будут вноситься все данные об использовании энергетических ресурсов. Труд совсем не напрасный - при грамотном подходе жильцы могут сэкономить до 30 % от суммы "платежки" за ЖКХ.

Законодательное регулирование

Определение класса энергоэффективности многоквартирного дома - процедура, регулируемая комплексом законодательных актов:

Таблица классов энергетической эффективности

Теперь подробнее раскроем главную тему. Чтобы определить класс энергоэффективности дома, нужно быть в курсе кратких требований к каждому из них.

Теперь перейдем к раскрытию некоторых особенностей перечисленных классов.

Подробности и объяснения

Сегодня недопустимо проектировать дома с классом энергоэффективности D или Е. Категории А-С присваиваются зданиям на стадии проектирования или реконструкции, в отношении строящихся объектов. Затем, когда помещение вводится в эксплуатацию, класс уточняют в результате проведения энергетических экспертиз, анализов. Для повышения доли категорий А-В государству на уровне субъектов стоит экономически стимулировать застройщиков.

Зданию может быть присвоен класс энергоэффективности дома B, А на стадии проекта, если в последнем предусмотрены следующие мероприятия:

Необходимые данные для определения класса

Чтобы узнать класс энергоэффективности дома, специалисту нужно обладать следующей информацией:

• Удельная потеря тепловой энергии через стены строения, степень герметичности здания.
• Объем теплоэнергии, необходимой для отопления помещений.
• Технохарактеристики вентиляционной системы.
• Теплопоказатели перегородок между энергопотребителями с автономной системой.
• Показатели индикаторов энергоэффективности (горячей годы, охладительных, отопительных, вентиляционных систем).

Ошибочно полагать, что определение класса энергоэффективности - долгий процесс. Специалисты выполняют такого рода анализ в весьма сжатые сроки.

Способы аудита энергоэффективности сооружений

Расчеты, необходимые для определения класса строения, - один из этапов комплексного энергетического мониторинга. В него также входят обследования, разработка программ по энергосбережению, воплощение их в жизнь. Перечень критериев для расчетов может включать в себя до 80 пунктов!

Аудит энергоэффективности - это четыре основных способа:

Как присваиваются данные классы?

Мы разобрали, как узнать класс энергоэффективности дома. Не менее важно разбираться и в процессе его присвоения. Класс назначается на основе энергодекларации органами Госстройнадзора. Его присвоение запрещено для следующих объектов:

• Культовые сооружения.
• Объекты исторического, культурного наследия.
• Временные постройки (до 2-х лет).
• Индивидуальные частные дома, садовые и огородные постройки.
• Строения с общим метражом менее 50 м 2 .
• Иные сооружения, определенные законодательством РФ.

Присвоение дому класса энергоэффективности правомочно для всех других строений. Процедура обязательна в отношении возведенных, реконструируемых, отремонтированных, эксплуатируемых МКД (многоквартирных домов). А также в отношении строений, за которыми осуществляется государственный стройнадзор. Применительно других сооружений - добровольная основа.

Кто устанавливает и присваивает классы?

Определения класса энергоэффективности многоквартирного дома - прерогатива энергоаудиторских специализированных предприятий. В своих действиях они основываются на ФЗ № 261.

А право присвоения класса энергоэффективности - исключительное. Им обладают только органы строительного государственного надзора.

Таблички с классом энергоэффективности

Как быстро узнать класс энергетической эффективности простому гражданину? Достаточно обратиться к табличке, которой застройщик должен оборудовать фасад каждого введенного в эксплуатацию дома. Собственники помещения обязаны заботиться о ее надлежащем состоянии, обновлении информации.

Точное расположение - левый угол дома, 30-50 см от края, 2-3 метра от земли. На таблице указана надпись "Класс энергоэффективности", его буква (от А до Е) и описание категории (высшая, нормальная, низшая и проч.).

На этом завершаем знакомство с новым для отечественной реальности явлением. Определение класса энергоэффективности дома - дополнительный способ сэкономить на оплате услуг ЖКХ собственникам квартир в МКД.