Пути повышения энергоэффективности гражданских зданий

Повышение энергоэффективности зданий в последние десятилетия стало одним из основных направлений развития строительной индустрии. За рубежом начало разработок по улучшению теплозащиты эксплуатируемых зданий явилось следствием энергетического кризиса 70-х годов, и с 1976 года в большинстве зарубежных стран уровень теплозащиты зданий увеличился в 2 — 3,5 раза. Постоянно повышаются требования к используемым теплоизоляционным материалам, ужесточаются нормативы по теплопроводности наружных ограждающих конструкций [ 8 ].

Энергия в зданиях расходуется на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, газоснабжение, на освещение и другие нужды и запросы человека. Сопоставление затрат целесообразно выполнять с использованием понятия «первичной энергии» [2]. Так, затраты первичной энергии на единицу энергии, поставляемой потребителю составляют:

• — уголь — 1,02…1,03;
• — природный газ — 1,06…1,15;
• — электроэнергия — 3,45…3,75.

Основываясь на этих коэффициентах, долевые энергетические затраты, например, в многоэтажных жилых домах Узбекистана составляют:

• — отопление и вентиляция — 33,5%;
• — горячее водоснабжение — 40,3%;
• — газоснабжение — 12,2%;
• — электропотребление — 14,0%

Итого — 100,0%.

Как видно, на долю отопления и вентиляции приходится треть всего энергопотребления. Это обстоятельство подчеркивает важность поиска путей повышения энергоэффективности гражданских зданий в совершенствовании систем отопления.

Представляет интерес и распределение потерь тепла через наружные ограждения. Для условий Узбекистана, согласно отчету ГЭФ ПРООН, имеет место следующее процентное распределение трансмиссионных тепловых потерь по видам наружных ограждений (для многоэтажных жилых домов):

• — стены — 45%;
• — окна — 35%;
• — наружные двери — 4%;
• — крыша — 8%;
• — перекрытие над подпольем — 8%;

Итого — 100%.

Очевидно, что структура тепловых потерь зданиями должна приниматься во внимание при выборе путей повышения энергоэффективности зданий. Представляется целесообразным уделять основное внимание улучшению теплозащитных свойств наружных стен и окон, а также разумному ограничению инфильтрации наружного воздуха. Последнее обусловлено тем, что в общем расходе тепла на отопление и вентиляцию расход тепла на вентиляцию достигает 29%.

В Узбекистане энергоэффективность проектных решений с 2001 года должна оцениваться по степени их соответствия нормативным удельным показателям расхода тепла на единицу общей площади здания [13]. Однако эти показатели были рассчитаны на реализацию минимально допустимого первого уровня теплозащиты зданий, отвечающего всего лишь санитарно-гигиеническим требованиям [7]. Сравнение нормируемых значений сопротивлений теплопередаче наружных ограждений, принятых в европейских странах, с аналогичными, принятыми в Узбекистане до октября 2004 года, указывало на значительное занижение последних. В 2010 году предполагается переработка строительных норм [ 7 ], направленная на дальнейшее ужесточение требований к уровню теплозащиты зданий.

Энергосбережение — это комплексная задача. Поэтому в концепцию энергоэффективного дома должны входить не только изоляция конструкций, но и специфические инженерные решения системы вентиляции и теплоснабжения. Снизить теплопотребление зданием возможно только при комплексном подходе к энергосбережению.

Кроме влияния теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций на энергопотребление зданий имеет место взаимосвязь объемно-планировочных решений зданий и расходов тепловой энергии на цели отопления и вентиляции. В частности, на потребление энергии оказывают влияние этажность, ширина корпуса, высота этажа, конфигурация здания, наличие цокольного этажа (технического подполья) и чердака [3, 12].

Энергоэффективность здания может быть повышена за счёт:

• — сокращения площади застройки;
• — совершенствования объёмно-планировочных решений зданий;
• — совершенствования ограждающих конструкций.

Существенное влияние на удельные теплопотери в жилых и общественных зданиях оказывают их объемно-планировочные решения и, в частности, соотношение площади ограждающих конструкций к общей площади зданий, соотношение площади оконных проемов к площади наружных стен, конфигурация зданий в плане, размещение их на рельефе и относительно сторон света.

В условиях зимы при выборе формы и размеров здания целесообразно стремиться к минимизации площади наружных ограждений здания. Существенно сократить площадь наружных стен можно за счет блокирования зданий. В результате таких мероприятий удается сократить энергетические затраты на (5 — 10)%.

Рекомендуемые ЦНИИЭП (Москва, Россия) мероприятия, направленные на совершенствование объёмно-планировочных решений зданий заключаются в следующем:

• — увеличение протяжённости здания (с четырёх до десяти секций даёт 5…7% экономии топлива);
• — повышение этажности (с пяти до девяти этажей экономит 3…5% топлива);
• — увеличение ширины корпуса (с 12 до 16 м даёт снижения расхода тепла на 8…9%).

Для жилых домов в условиях Республики Узбекистан в связи с жарким летом обязательно устройство сквозного или углового проветривания, что невозможно осуществить в ширококорпусных зданиях с двухрядным расположением квартир. Но и при однорядном расположении квартир необходимо стремиться к максимальному увеличению ширины корпуса дома.

Остекление лоджий, согласно литературным данным, увеличивает тепловую эффективность здания на 8%. Выполненные в научно-исследовательском проектном институте «УзЛИТТИ» расчёты показали, что тепловые потери фасада здания, образованного застеклёнными лоджиями меньше тепловых потерь фасада без лоджий в 1,4 раза. Экономия теплоты, затрачиваемой на отопление дома с лоджиями, доходит до 22%. Однако при этом значительно ухудшается естественное проветривание помещений и возникает необходимость в искусственной вентиляции.

Целесообразно проектирование зданий с мансардными этажами, исключая тем самым сверхнормативные потери тепла через покрытие.

С точки зрения сбережения энергии в последние десятилетия проявляется большой интерес к проектированию зданий, которые хорошо улавливают, сохраняют и используют солнечную энергию и энергию от других естественных энергетических источников. Например, в зданиях широтной ориентации с отношением длины к ширине более 4-х общее поступление солнечной радиации в отопительный период на 5…11% больше, чем при меридиональной ориентации.

В целом поиск зданий энергетически эффективной формы, степени остеклённости и ориентации, при которых энергозатраты минимальны, является важнейшей задачей архитектурно-строительного проектирования.

Степень остеклённости фасадов с энергетической точки зрения должна быть строго дифференцирована в зависимости от их ориентации. Так, например, весьма полезно увеличивать площадь окон на южных фасадах, а на северных румбах следует стремиться к минимальной площади световых проёмов. Однако следует иметь виду, что, например, австрийские нормы теплозащиты жилых зданий требуют при остеклённости выше 30% увеличивать сопротивление теплопередаче стен на 100% и перекрытий верхнего этажа на 50% по сравнению со зданием, остеклённость которого не превышает 30% [ 14 ].

Следует также учитывать, что тепловые потери через наружные световые проёмы, выполненные из современных стеклопакетов с теплозащитным стеклом, значительно ниже, чем через бетонные стены [15 ].

Как было показано выше, на наружные стены зданий приходится 45% тепловых потерь в отопительных период. Поэтому повышение теплозащитных свойств стен — важная задача.

В настоящее время в Республике широкое распространение получили однослойные наружные стены, совмещающие несущие и теплоизолирующие функции.

Однослойные стены из кирпича следует возводить только толщиной в 2 и 2,5 кирпича, что повысит их термическое сопротивление соответственно в 1,24 и 1,5 раза по сравнению со стеной в 1,5 кирпича [16].

Желательно применение глиняного обыкновенного кирпича, имеющего меньший коэффициент теплопроводности, или керамического пустотного кирпича (в тех случаях, когда его применение допустимо по сейсмическим нормам). По сравнению с обыкновенным глиняным кирпичом теплоизоляционные свойства стен из пустотного кирпича возрастают на 15…17%.

Для более существенного увеличения теплозащитных свойств наружных стен необходимо применение двухслойных стен с несущей конструкционной частью и наружным слоем эффективной теплоизоляции. Такое решения в настоящее время широко применяется во многих странах мира. Этот способ находит применение и на отдельных объектах, возводимых в Узбекистане, например, его использовали при строительстве гостиницы «DEDEMAN» в г. Ташкенте.

В двухслойных стенах несущей конструкцией может служить кирпичная кладка, бетонные панели и блоки. В качестве теплоизоляции используются пенопласты на основе органических полимеров и материалы на основе минеральных, стеклянных или базальтовых волокон. Обе группы обладают низкой плотностью и малой теплопроводностью. Каждой из этих групп присущи свои преимущества и недостатки.

На сегодня практически любая задача по энергосбережению разрешима инженерными средствами. Однако стоимость материалов и затраты труда на строительство и последующую эксплуатацию требуют оптимизации. При этом оптимизация приносит не только экономический эффект, но и обеспечивает повышение уровня теплового комфорта в помещениях [ 9 ].

Для разработки новых архитектурно-строительных решений энергоэффективных зданий необходимо учитывать уже имеющийся мировой опыт. Его анализу посвящен следующий раздел диссертации.