«Активное» энергосбережение

Получены результаты экспериментальной оценки эффективности элементов системы «активного» энергосбережения. Удельные расходы на отопление можно снизить до показателей европейских «пассивных» домов.

Политика и практика энергосбережения

После принятия в конце 2009 г. Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» [1] в России активизировалось проектирование и строительство энергоэффективных зданий. Практически во всех регионах страны уже реализованы или планируются к возведению «пилотные» проекты таких зданий [2, 3]. Появились также «пассивные» и «активные» дома.

Следует признать, что при проектировании большинства уже построенных энергоэффективных зданий использовались только некоторые из общепринятых в Европе и США мер по снижению энергетических затрат на эксплуатацию зданий. Как правило, это повышенная теплоизоляция ограждающих конструкций, современные светопрозрачные конструкции, системы регулирования отопления. Поэтому называть такие здания энергоэффективными в полной мере нельзя, хотя опыт их строительства полезен для России, где удельные энергетические затраты на эксплуатацию существующих и проектируемых зданий массовой застройки значительно выше, чем в европейских странах [4].

«Пассивные» здания появились в Европе в начале 1990-х гг. и, благодаря активной работе профессора Вольфганга Файста, его коллег и созданного ими в г. Дармштадте (Германия) Института пассивного дома (PassivHaus Institut, ИПД), стали одним из доминирующих направлений в европейском энерго-сберегающем домостроении. Построены сотни отдельных зданий и даже поселков, разработаны основы их проектирования, требования к конструкциям и инженерному оборудованию [5], методы оценки [6], стандарты для отдельных элементов и конструкций «пассивных» домов.

В соответствии с рекомендациями немецких специа-листов [5], «пассивный» дом должен отвечать нескольким основным требованиям:
- минимальные теплопотери из здания;
- оптимизация теплопоступлений при использовании возобновляемых источников энергии (солнечной энергии, энергии ветра, низкопотенциального тепла грунта, био-энергии и др.) как в летний, так и в зимний периоды года;
- улучшение теплоизоляции стандартных строительных элементов (кровля, стены, полы и пр.);
- исключение по возможности тепловых мостиков в конструкциях за счет качественного выполнения работ и применения новых технологий;
- максимально возможная герметизация оболочки здания;
- применение энергосберегающих окон;
- обеспечение оптимальной вентиляции помещений с использованием высокоэффективной рекуперации тепла из удаляемого вентиляционными системами воздуха.

В Европе для «пассивных» зданий принят удельный расход тепловой энергии на отопление не выше 15 кВт ∙ ч/м2/год [5, 6], общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление, горячая вода, электроэнергия) — не более 120 кВт ∙ ч/м2/год. По оценкам ряда отечественных специалистов [7], для аналогичных строений в климатических условиях г. Москвы удельный расход тепловой энергии на отопление будет составлять 31 кВт ∙ ч/м2/год.

Обычно для ограждающих конструкций пассивного здания немецкие специалисты рекомендуют следующие показатели:
- коэффициент теплопередачи стен Uстены = 0,15 Вт/м2 · °C (сопротивление теплопередаче R = 6,67 м2 · °C /Вт);
- коэффициент теплопередачи окон Uокна = 0,9 Вт/м2 · °C (сопротивление теплопередаче R = 1,11 м2 · °C/Вт).

Более эффективными считаются стены и окна с параметрами 10,0 м2 · °C/Вт и 1,42 м2 · °C/Вт, соответственно. Но строительство зданий с ограждающими конструкциями, отвечающими этим требованиям, становится во многих случаях экономически нецелесообразным.
Известно [8], что в России около половины всей вырабатываемой энергии тратится на эксплуатацию зданий. Одной из основных характеристик энергетической эффективности зданий считается удельный расход энергии на отопление и вентиляцию. Документами, разработанными в Правительстве РФ, Министерстве регионального развития, Министерстве экономического развития, правительстве города Москвы в развитие Федерального закона № 261-ФЗ, установлено поэтапное снижение этого показателя (рис. 1).

Рис. 1

По оценкам профессора Ю. А. Табунщикова [9], в балансе теплопотерь доля затрат тепловой энергии на подогрев вентиляционного воздуха будет увеличиваться по мере повышения требований к теплозащите ограждающих конструкций. На рис. 2 приведена диаграмма теплопотерь в многоквартирных домах типовых серий в г. Москве после достижения показателей, предусмотренных соответствующими рекомендациями федеральных и региональных органов на 2016 г.

Рис. 2

Очевидно, что повышение энергетической эффективности зданий невозможно при улучшении только одного из элементов — необходимо обеспечить комплексные решения проблемы. Тем более справедливо это утверждение при проектировании и строительстве энергоэффективных домов, задуманных для комфортного проживания, с учетом всех составляющих — как конструкции здания, так и его инженерных систем. Проблему энергосберегающего домостроения нельзя решить только за счет применения традиционных энергосберегающих технологий и мероприятий, предусматривающих исключительно пассивное увеличение теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий. Этот ресурс экономии энергии практически исчерпан.

«Активное» энергосбережение

Перспективным решением является применение наружных ограждающих конструкций зданий с системой «активного» энергосбережения (САЭ). Работы по созданию САЭ были начаты в России в последние годы на основе оригинальных исследований [10–12].

В основу метода положено совмещение САЭ с рекуперацией и утилизацией вторичных энергетических ресурсов, а также использование возобновляемых источников энергии. Используются методы рекуперации уходящего тепла (трансмиссионного и радиационного) через наружные ограждения, дополнительная утилизация низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов в условиях существующей вентиляции и при использовании теплообменников тепла и влаги, а также применение ветровых дефлекторов и теплохладоаккумуляции с использованием солнечной энергии, поступление которой регулируется солнцезащитными и теплоотражающими устройствами.

Основной принцип действия системы рекуперации трансмиссионного тепла (за счет теплопередачи и конвекции) и радиационного тепла (тепловое излучение) заключается в особой организации условий поступления потока наружного воздуха и дальнейшего прохождения его через конструкцию ограждения. В воздушном промежутке создается воздушная завеса из холодного наружного воздуха, максимально охлаждающая поверхности, слои, теплоотражающие экраны и гибкие связи, которые передают тепло в атмосферу. Здание снаружи становится более холодным, уходившее ранее тепло передается входящему воздуху, используемому для вентиляции в нормируемом объеме. Тепло и влага вентиляционных выбросов могут передаваться входящему воздуху посредством эффективных малогабаритных рекуператоров, встроенных в конструкции.

Общая схема работы ограждающей конструкции для системы «активного» энергосбережения приведена на рис. 3 на примере использования светопрозрачной конструкции (аналогичный принцип может быть применен и для других ограждающих конструкций).

Рис. 3

1 – внешнее остекление
2 – внутреннее остекление
3 – промежуточное остекление
4 – наружное межстекольное пространство
5 – внутреннее межстекольное пространство
6 – входные отверстия
7 – вентиляционные отверстия
8 – выходные отверстия
9 – обратный клапан
10 – козырек
11 – оконная коробка
12 – регулирующее устройство входящего воздуха
15 – отлив
16 – теплоотражающий экран (жалюзи, светопрозрачная пленка с покрытием)

Предложенное авторами комплексное решение значительно уменьшает теплопотери через наружные ограждающие конструкции и в вентиляционных системах. Одна из основных составляющих этого решения — переход на децентрализованную приточно-вытяжную вентиляцию с эффективной рекуперацией тепла и влаги вентиляционных выбросов. Такие воздуховоздушные установки сегодня достаточно распространены, имеют стабилизированный регулируемый приток и вытяжку воздуха, а также очень высокий коэффициент полезного действия.

По предварительным оценкам, основанным на результатах проведенных в 2010–2012 гг. лабораторных и натурных исследований, при использовании систем «активного» энергосбережения в зданиях различного назначения (в том числе в «пассивных» домах) можно значительно снизить теплопотери через ограждающие конструкции, а также в вентиляционных системах. Возможная экономия показана на рис. 2.

Возможно также снизить удельные расходы на отопление до показателей, предусмотренных для европейских «пассивных» домов, т. е. в многоквартирных домах для условий г. Москвы достичь значений удельного расхода на отопление и вентиляцию 11–18 кВт · ч/м2 в год с примерно равным балансом (по 33%) трех основных видов теплопотерь. Этот уровень снижения теплопотерь представляется несколько фантастическим на сегодняшний день, однако мы считаем его достижимым при применении предлагаемых систем «активного» энергосбережения.

Рис. 4

Литература

1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Архипов А. Первый в России энергоэффективный дом, сертифицированный по европейским стандартам. Перспективы развития строительства энергоэффективных домов в России: материалы конференции «Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий PassiveHouse», 2012 г.
3. Панитков О. Опыт реализации активного дома. Следующие шаги: материалы конференции «Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий PassiveHouse», 2012 г.
4. Шубин И., Спиридонов А. Законодательство по энергосбережению в США, Европе и России. Пути решения // Вестник МГСУ. 2011. № 3. Т. 1.
5. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М.: АСТ, 2011 г.
6. Пакет проектирования пассивных домов PHPP2007 (2012). PassivHaus Institut.
7. Бродач М., Ливчак В. Здание с близким к нулевому энергетическим балансом // АВОК. № 5, 2011 г.
8. Шубин И., Спиридонов А. Проблемы энергосбережения в российской строительной отрасли // Энергосбережение. № 1, 2013 г.
9. Табунщиков Ю. А. Малозатратные оперативные мероприятия по экономии энергии // Энергосбережение. № 8, 2012 г.
10. Беляев В., Хохлова Л. Проектирование энергоэкономичных и энергоэффективных зданий. М.: Высшая школа. 1992 г.
11. Беляев В., Граник Ю., Матросов Ю. Энергоэффективность и теплозащита зданий. Москва: АСВ, 2012 г.
12. Беляев В., Лобанов В., Ахмяров Т. Децентрализованная приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла //Жилищное строительство. № 3, 2011 г.

Продолжение в СтройПРОФИ №6 «Активное» энергосбережение (продолжение)