1. ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АРХИТЕКТУРЕ ЗДАНИЯ
здание конструкция теплоизоляция
Здания с максимальным использованием выделяемой внутри них тепловой энергии и максимальной защитой от потерь теплоты через наружные поверхности и вентиляцию называются энергосберегающими, энергоэкономичным или энергоэффективными. Среди энергоэффективных домов выделяют так называемые:
пассивные дома, у которых в разы ниже удельное потребление тепла по сравнению с обычными современными зданиями;
активные дома, которые кроме малого удельного потребления тепла имеют еще и встроенные источники энергии (как правило, используются установки на ВИЭ: тепловые насосы, ветряки, солнечные батареи); здания с нулевым потреблением, которым при малом энергопотреблении достаточно собственных источников энергии, что делает необязательными сети и подключение к инфраструктуре. Термин "энергоэффективное" здание появился после энергетического кризиса 70-х гг. ХХ в., когда за рубежом нормативы показателей теплозащиты строительных конструкций были увеличены в 2-3,5 раза. В дальнейшем эти нормы были уточнены и более ужесточены, в результате чего появились два новых термина: дома низкого энергопотребления (ДНЭ) и дома ультранизкого энергопотребления (ДУЭ). Годовой расход тепла для первых из них (ДНЭ) составляет 30-70 кВт*ч/м3, для вторых (ДУЭ) - 15-30 кВт*ч/м3.
Результатом дальнейшего развития концепции энергосбережения стало появление еще двух понятий: "пассивный" и "активный" дом. Пассивный дом (от англ. passive house) - это сооружение, основной особенностью которого является малое энергопотребление (не более 10 % от энергии, расходуемой обычным зданием для обогрева единицы его внутреннего объема). Такого снижения удается достичь в первую очередь за счет того, что дом максимально улавливает и сохраняет в жилом пространстве тепло, поступающее из окружающей среды и выработанное внутренними источниками, включая электролампы, бытовые приборы и даже проживающих в здании людей. Для этого постройка должна быть компактной, качественно утепленной, герметичной и правильно ориентированной по сторонам света. Обязательно применяют также систему приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией воздуха. Активный дом (от англ. active house) представляет собой союз пассивного и "умного дома". Благодаря этому он не только тратит мало энергии, но и грамотно распоряжается тем незначительным ее количеством, которое потребляет. Главное, даже этим минимальным объемом активное здание в максимально возможной степени обеспечивает себя само, используя энергию солнца, ветра, тепло земли и т.д. И, наконец, о понятии "зеленое здание" (от англ. green building). Это не просто название концепции строительства и эксплуатации энергоэффективных домов, которая преследует цель снизить уровень потребления энергетических и материальных ресурсов при одновременном повышении качества зданий и их комфортности. Это целая философия, основанная на идее сбережения природных ресурсов и даже "сотрудничества" с окружающей средой, что учитывает интересы будущих поколений. Суть концепции заключается в следующем. "Зеленый дом" энергоэффективен, экономичен в эксплуатации и экологичен. Это значит, что его энергопотребление как минимум на 25 % меньше, чем обычного, а чтобы добиться этого, при строительстве нужно использовать материалы, которые не выделяют вредных веществ ни в период эксплуатации дома, ни после его демонтажа. Желательно также, чтобы их можно было использовать вторично. Экономное отношение к природным ресурсам предполагает и минимизацию потребления чистой воды, для чего организуется эффективная очистка и вторичное использование (для стирки, мытья полов, полива растений и т. п.) дождевых и сточных вод. Строиться "зеленое здание" должно с учетом особенностей местного климата, традиций и культуры населения и в гармонии с ландшафтом. Для анализа эффективности сбережения энергии используется понятие эксэргии - воплощенной энергии, т.е. полезной доли затраченной энергии. Значения эксэргии рассматриваются при сопоставлении вариантов зданий на всех этапах - начиная от добычи материалов, изготовления строительных деталей и вплоть до разборки и повторного использования материалов и элементов. Более эффективно то здание, в котором эксэргия максимальна или ее потери в ходе возведения, эксплуатации и разборки здания минимальны. Понятие эксэргии оказалось весьма информативным и начинает широко использоваться в практике.
Для развития концепции энергосберегающего дома, безусловно, необходимо опираться на богатый опыт эксплуатации различных зданий. Очевидно, что энергоэффективность здания определяется совокупностью многих факторов. Исследования показывают, что при эксплуатации традиционного многоэтажного жилого дома через стены теряется до 40% тепла, через окна - 18%, подвал - 10%, крышу - 18%, вентиляцию - 14%. Поэтому свести теплопотери к минимуму возможно только при комплексном подходе к энергосбережению.
Из приведенных данных следует, что недостаточное термическое сопротивление осаждающих конструкций наиболее существенно снижает энергоэффективность зданий. Однако утеплением лишь ограждающих конструкций нельзя добиться значительного уменьшения теплопотерь, поскольку существенная их доля приходится на так называемые "мостики холода", то есть участки интенсивного теплообмена с окружающей средой. Такие участки чаще всего образуются в местах контакта плит перекрытий с несущими стенами, в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок, а также при проседании некачественного теплоизоляционного материала в трехслойных ограждающих конструкциях с утеплителем в качестве среднего слоя.
Для достижения экономии энергии предусматривают:
энергоэффективные объемно-планировочные решения;
использование эффективной теплоизоляции наружных стен;
применение энергосберегающих окон, форточек, жалюзи;
устройство на высоту одного-двух этажей зимнего сада;
обваловку части здания;
устройство кровли-газона, кровли-зимнего сада;
герметичную заделку стыков и щелей, исключение утечек теплоты;
устройство окон с двух смежных сторон здания;
выполнение наружных стен с повышенной теплоизоляцией со стороны действия холодных ветров;
утилизация всей теплоты от внутренних источников (бытовые приборы, люди, теплая вода послу употребления);
применение пассивной системы утилизации солнечной энергии; использование энергонезависимых технологий вентиляции, очистки стоков и др.; динамическую теплоизоляцию наружных стен.
Современные системы утепления предусматривают создание комплексной защитной термооболочки вокруг конструкций здания. Такая оболочка включает в себя утепление контактирующих с грунтом конструкций фундамента в сочетании с утеплением скатных или плоских крыш, а также устройство вентилируемых фасадов, передвигающих зону положительных температур в несущие конструкции. Этот комплекс мер исключает появление "мостиков холода", повышает тепловое сопротивление ограждения и предотвращает выпадение конденсата, пагубно влияющего на теплоизолирующие и другие эксплуатационные характеристики конструкций.
Еще одной немаловажной проблемой являются теплопотери через окна. Наиболее простой подход к решению этой проблемы - уменьшение площади окон - далеко не всегда приемлем, поскольку ухудшает комфортность и микроклимат помещений. Эта дилемма наилучшим образом разрешается использованием современных трехслойных стеклопакетов с низкой теплопроводностью.
В будущем должны найти применение свето-прозрачная и вакуумная теплоизоляция, стекла в системах пассивного отопления, пропускающие солнечную радиацию в наиболее энергоемкой части спектра, селективные светопоглощающие покрытия, системы автоматики, согласующие действие систем энергосбережения с температурными режимами снаружи и внутри здания. Идеальное энергоэкономичное здание требует использования высоких технологий.
Экономию энергии начинают на этапе выбора объемно-планировочных решений, направленных на максимальное снижение потерь теплоты через ограждающие конструкции. Окна в доме лучше всего размещать с солнечной стороны; здание в плане должно иметь простую форму, а площадь окон должна быть минимально необходима для освещения; при возможности рекомендуется обваловка стен с северной стороны. Для одно- или двухэтажных зданий целесообразно устройство светопрозрачных оранжерей, зимних садов, теплиц с южной стороны на всю высоту стены. Желательно не допускать сквозного проветривания через дверные и оконные проемы, устраивая теплые глухие стены главным образом с холодной северной стороны. Эти мероприятия требуют совершенных конструкций стен, перекрытий, окон и дверей, а также высокого качества работ при строительстве. Широко применяемый метод теплоснабжения - устройство дополнительной теплоизоляции внутри здания или снаружи. Последнее более эффективно. Для теплоизоляции применяют готовые панели из искусственных (пенополистирол, пенополиуретан, пенополивинилхлорид, легкие бетоны и др.) или естественных (древесно-волокнистые плиты, войлок, пробка, минеральная вата и др.) материалов, используют последующее оштукатуривание утеплителя по синтетической сетке.
Панели крепят на специальных анкерах или на клею непосредственно к стене или же на небольшом относе с воздушной прослойкой. Иногда облицовочные теплоизоляционные панели имеют наружную поверхность, не требующую дополнительной отделки. При мягком рулонном утеплителе или плитах, не имеющих высококачественного наружного слоя, применяют декоративные облицовочные плиты из металла, пластмасс, цемента и др.
При динамической теплоизоляции наружных стен свежий воздух, перед тем как попасть в здание, проходит через сквозные вертикальные плоскости в стене и нагревается от теплоты, проникающей в стену от пассивных систем солнечного отопления и изнутри здания от систем отопления. Нагретый воздух идет в здание, а после использования проходит через полости в наружных стенах, отдавая им теплоту. Для утилизации теплоты наружных стен можно пропускать через каналы в них воздух и отбирать затем его теплоту тепловым насосом. Далее эта теплота может использоваться для отопления или поступать в тепловой аккумулятор. Охлажденный после насоса воздух должен направляться в верхнюю часть помещения.
Утилизируется также энергия тепловых сточных вод.
Как показывают расчеты и опытная эксплуатация, при утилизации всей энергии не требуется дополнительная энергия в течение всего года для отопления правильно спроектированного энергосберегающего дома. Иногда бывают эффективны нетрадиционные энергосберегающие решения. Так, установка светоотражающих козырьков может дать возможность не использовать или использовать не на полную мощность две трети осветительных приборов в помещении. Энергосберегающее здание должно иметь не только хорошую изоляцию, а и герметичные наружные ограждения. Герметичность здания - необходимый элемент для ограничения потерь ценного тепла, а также для создания условий, в которых обмен вентиляционного воздуха будет отрегулирован. Свежий воздух должен попадать в помещения путем соответствующих приборов (воздухозаборников или приточных решеток с регуляцией забора), в то время как неконтролируемый приток воздуха сквозь щели в окнах, дверях, стенах и т.д. должен быть сведен к минимуму. Выполнение герметичного здания требует использования соответствующих проектных решений во всех местах с риском возникновения неплотных соединений конструкций.
В наружных стенах особенно тщательно должны быть выполнены соединения с наружными окнами и дверями, а также с перекрытиями и крышей. Нежелательные трещины могут возникать в стенах, если раствор, соединяющий керамические или бетонные элементы, не будет плотно заполнять швы. Очень важно выполнить герметично все проходы сквозь наружные ограждения элементов электрических, телефонных или телевизионных систем.
Принимая решение о постройке энергосберегающего здания, зададимся вопросом, изменится ли сумма нашей оплаты за энергию и насколько, улучшим ли мы внутренний комфорт. Обеспечение энергоэкономности здания требует дополнительных издержек на строительство, так как в калькуляции дополнительных издержек на такое здание необходимо принимать во внимание разницу между стоимостью стандартных и энергосберегающих изделий. Например, стоимость увеличения толщины изоляции, разница в стоимости окон и дверей стандартных и энергосберегающих, разница в стоимости систем отопления и вентиляции и т.д. Увеличение размера инвестиций, в зависимости от выбранных решений, составляет в совокупности от нескольких до 12% стоимости стандартного объекта. Но, в результате осуществления инвестиций в односемейном доме можно достичь снижения расхода энергии до 16000 кВт-ч в год. Если воспользоваться кредитом на строительство дома, то данную величину экономии можно использовать на выплату дополнительной части кредита, сумма которого увеличилась на издержки по повышению энергетического стандарта.
Возможно, дополнительные расходы на строительство энергосберегающего дома и увеличивают сумму кредита, однако, ежемесячный кредитный взнос не увеличивается на сумму большую, чем та же ежемесячная величина экономии на стоимости эксплуатации. Совокупные издержки, как энергия и кредит, для энергосберегающего и стандартного здания приблизительно одинаковые, в то время как после оплаты кредита эксплуатационная стоимость энергосберегающего здания будет ниже. Итог такой: строительство энергосберегающего здания является выгодным инвестированием.
В Европе индустрия строительства энергоэффективных и пассивных зданий достаточно развита в ряде стран. Например, в Германии, Австрии, Дании и других. Так в Европе возведено уже несколько десятков тысяч таких домов. Они доступны обычным потребителям, так как разница в затратах между строительством энергоэффективного и обычного дома составляет 10-15%, а счета за энергию сокращаются в несколько раз. Таким образом, выбор в пользу энергоэффективного дома часто становится даже выгоден потребителю. Район VIII (Хельсинки, Финляндия) -- новый взгляд на энергосбережение и экологию. Район VIIKKI представляет собой экологически чистую территорию сельского типа площадью 1132 га, которая частично использовалась для научных экспериментальных целей Технологическим Университетом Хельсинки.
Строительство демонстрационного энергоэффективного района EKOVIIKKI осуществлялось в соответствии с программой Европейского сообщества Thermiе, которая включает в себя 9 различных европейских экспериментальных проектов. Руководство финским проектом было возложено на Технологический университет г. Хельсинки. К новому экспериментальному жилому району VIIKKI применили новый подход: речь идет не только об экономии энергии, но и об экологическом и социальном аспектах, о долговременности строительства, его влиянии на окружающую среду, то есть о так называемом жизнеподдерживающем строительстве.
Целью строительства демонстрационного жилого района VIIKKI являлось выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами.
Энергоснабжение района обеспечивается комбинацией районного тепло- и электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. Система теплоснабжения жилого района VIIKKI включает в себя крупнейшую в Финляндии установку по использованию солнечной энергии. При разработке этого проекта были использованы новейшие концепции использования солнечной энергии и интеграции солнечных систем в здание. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1248 м2. Эти солнечные нагревательные системы обеспечивают централизованное теплоснабжение и в некоторых случаях производят также обогрев помещений при помощи систем подогрева пола. В жилом районе VIIKKI демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельное использование систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (с размером блока коллектора 10 м2). Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома. Эти коллекторы установлены под углом 47°-60°. Такие углы оптимальны, так как они соответствуют наклону солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии.