Энергоэффективные строительные системы и технологии

С. Н. Булгаков, академик, первый вице-президент Российской Академии Архитектуры и Строительных наук

Существующая СИТУАЦИЯ

Эксплуатационное энергопотребление существующих жилых и общественных зданий в России примерно в 3 раза превышает аналогичные показатели в технически развитых странах со сходными природно-климатическими характеристиками.

Активная полемика, энергосберегающие программы, теоретические разработки, образцы оборудования, экспериментальные объекты, осуществляемые в последние 10-15 лет, пока не оказали практического влияния на энергоемкость городов и поселений, но создали реалистичные предпосылки для снижения энергопотребления зданий и сооружений.

В связи с тем, что ежегодный прирост жилых и производственных площадей за счет нового строительства в 90-х годах составляет примерно 1% от существующих площадей, основной потенциал энергосбережения содержится в эксплуатационной сфере и может быть реализован посредством реконструкции и санации действующих основных фондов.

Удельные теплопотери в зданиях по экспертным оценкам распределяются следующим образом: до 40% – за счет организованной и неорганизованной инфильтрации нагретого воздуха, до 30% – за счет недостаточного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, до 30% – за счет нерационального расходования горячей воды и нерегулируемого режима эксплуатации систем отопления.

Основные причины нерационального расходования тепловой энергии:

• несовершенство нерегулируемых систем естественной вентиляции;

• низкое качество и неплотности сопряжения деревянных оконных переплетов и балконных дверей;

• недостатки архитектурно-планировочных и инженерных решений отапливаемых лестничных клеток и лестнично-лифтовых блоков;

• недостаточное теплоизоляционное качество наружных стен, покрытий, потолков подвалов и светопрозрачных ограждений;

• отсутствие приборов учета, контроля и регулирования на системах отопления и горячего водоснабжения;

• чрезвычайно развитая сеть наружных теплотрасс с недостаточной или нарушенной тепловой изоляцией;

• устаревшие, и в большинстве непроизводительные, типы котельного оборудования;

• отсутствие действенного механизма материальной заинтересованности энергопотребителей в ее экономии;

• крайне недостаточное использование нетрадиционных и вторичных источников энергии.

Стратегия энергосбережения в сфере строительства и эксплуатации зданий и сооружений

Системный подход и экономически обоснованная последовательность выполнения комплекса взаимосвязанных и взаимозависимых энергосберегающих мероприятий градостроительного, архитектурно-планировочного, конструктивного, инженерного и эксплуатационного характера.

Программно-целевой метод разработки и реализации системы энергосберегающих мероприятий, ориентированных на получение конечного результата – максимальную экономию невозобновляемых топливных ресурсов при минимальных затратах средств и времени на достижение этой цели.

Первоочередная ориентация научной, проектной и практической деятельности по энергосбережению на наиболее энергоемкую сферу эксплуатации основных фондов, реализация энергосберегающих технологий в которой обеспечивает более 90% потенциального эффекта по энергосбережению за счет модернизации и реконструкции эксплуатируемых зданий, сооружений, инженерных систем, коммуникаций и энергетических объектов.

Переход на энергоэкономичные нормы проектирования и строительства новых зданий и сооружений.

По экспертным оценкам системная реализация энергосберегающих мероприятий позволяет сократить эксплуатационные энергозатраты в жилищном секторе в 2,0–2,5 раза. При этом удельная доля энергосбережения за счет совершенствования градостроительных решений составит 8–10%, архитектурно-планировочных решений – до 15%, конструктивных систем – до 25%, инженерных систем, включая системы вентиляции – до 30%, за счет совершенствования технологии эксплуатации, включая установку приборов учета, контроля и регулирования тепло-, водо- и электропотребления – до 20%.

Научно-практические рекомендации

Энергосберегающие градостроительные решения

Необходимо установить мораторий на расширение границ городов в течение 20–30 лет, развитие их в этот период должно осуществляться за счет более рационального использования территорий, уплотнения застройки до нормативного уровня без освоения новых пригородных территорий и без увеличения протяженности магистральных теплопроводов, других энергосетей и транспортных маршрутов.

Разработать технико-экономические обоснования комплексного использования традиционных централизованных и нетрадиционных систем теплоснабжения, в том числе локальных с применением котельных контейнерного типа, размещаемых на крышах или вблизи отапливаемых зданий.

Разработать программы завершения застройки жилых кварталов и микрорайонов с ликвидацией сквозных ветрообразующих пространств и организацией замкнутых дворовых и внутриквартальных территорий.

Разработать генеральные планы, программы и бизнес-планы вторичной застройки реконструируемых малоэтажных жилых кварталов с утеплением ограждающих конструкций существующих домов в соответствии с новыми теплотехническими нормативами, переходом на автоматизированные индивидуальные тепловые пункты, реконструкцией тепловых сетей, использованием крышных котельных для отопления и горячего водоснабжения на прирост площадей жилья и реализацией комплекса мер по электросбережению с организацией на основе этих кварталов энергоэффективных зон городского хозяйства.

Разработать программы использования подземного пространства (подземная урбанизация) для размещения стоянок автомашин, складских и вспомогательных помещений с использованием естественной теплоты земли или искусственных источников подогрева воздуха до положительной температуры.

Энергосберегающие архитектурно-планировочные решения

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 стран света.

Рекомендуемые решения:

• Переход на проектирование и строительство ширококорпусных жилых домов с сокращением на 20–30% удельной площади ограждающих конструкций на квадратный метр площади жилья (рис. 1).

• Использование ширококорпусных домов при вторичной застройке реконструируемых кварталов, в том числе с возведением ширококорпусных домов вторичной застройки  на месте существующих двух-пятиэтажных домов без их сноса, но с одновременной реконструкцией и продлением жизненного цикла до уровня новых зданий.

• Возведение мансардных этажей на существующих зданиях с ограждающими конструкциями повышенной теплозащиты, соответствующей второму этапу норм “Строительная теплотехника”, исключая тем самым сверхнормативные потери тепла через покрытия реконструируемых зданий.

Ширококорпусный 17-этажный дом

Энергосберегающие конструктивные системы

Наиболее рациональными видами энергоэффективных наружных ограждающих конструкций являются многослойные композитные конструкции стен и покрытий с использованием минеральных эффективных материалов.

Основные резервы теплосбережения можно реализовать при утеплении существующих жилых домов. Утепление наружных стен – самый дорогостоящий и трудоемкий процесс - обеспечивает снижение теплопотерь примерно на 12–15%.

К наиболее известным и распространенным способам утепления наружных стен относятся: вентилируемые конструкции утепления наружных стен или, как принято их называть, вентилируемые фасады; невентилируемые конструкции утепления наружных стен с использованием минераловатных и полистирольных плит с креплением их непосредственно на стены или на каркас, а также всевозможные сочетания этих вариантов с использованием местных утеплителей.

В Институте строительных конструкций и прочности Берлинского технического университета и в фирме “Этернит” разработаны варианты конструктивных решений утепления наружных стен зданий под общим названием “вентилируемые фасады” (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Конструкции вентилируемого фасада

Рисунок 3. (подробнее) Устройство многослойной теплоизоляционной системы (МТИС) на защитном слое трехслойной панели наружных стен

При утеплении наружных стен крупнопанельных жилых домов в Германии, Польше, Финляндии и в нашей стране широкое распространение получила многослойная теплоизоляционная система (МТИС), показанная на рис. 3.

В Белоруссии при утеплении крупнопанельных домов используется технология получившая название “термошуба” (рис. 4).

Академическим институтом инвестиционно-строительных технологий РААСН разработан универсальный сухой способ утепления наружных стен зданий и сооружений для всех климатических поясов России. Данный способ утепления может быть использован как для утепления существующих зданий, так и при возведении новых зданий повышенной теплоэкономичности в монолитном, панельном и блочном исполнении.

Рисунок 4. (подробнее) Термошуба наружных стен жилых зданий

Рисунок 5. (подробнее) Варианты схемных решений поквартирной системы отопления

При производстве работ практически исключаются мокрые и энергоемкие процессы.

Могут быть использованы утеплители различного вида (засыпные, заливные, плитные, в виде матов), в том числе местного изготовления.

Значительно повышаются архитектурно-эстетические качества наружной отделки фасадов зданий.

Конструктивная система универсального способа утепления наружных стен зданий предусматривает механическое крепление на расчетном расстоянии от стены облицовочных бетонных плиток заводского изготовления и заполнение образуемого пространства утеплителем.

Теплопотери через окна достигают 50% от общих теплопотерь через ограждающие конструкции, поэтому в первую очередь необходимо повышать теплозащитные качества окон. Оконные заполнения из древесины и стеклопластика с тройным остеклением, в виде стеклопакетов, с двойным остеклением и слоем пленки обеспечивают нормативные теплозащитные требования. При реконструкции снижение теплопотерь через окна может быть обеспечено посредством утепления откосов с установкой наличников и путем установки светопрозрачного экрана в межстекольном пространстве оконного блока с раздельными или спаренными переплетами.

Введение экрана позволяет ограничить естественную конвекцию в прослойках и добиться расчетного режима теплопроводности в окнах.

При одновременном учете светотехнических и теплотехнических свойств конструкций, окна с экранами имеют большую энергоэффективность.

Одним из направлений развития энергосбережения в строительстве являются окна с теплоотражающими стеклами. Использование таких окон в жилищном строительстве позволяет снизить потери тепла через них до 40 % энергии. В этом случае окупаемость дополнительных затрат не превышает 1,5 лет.

Традиционными материалами для изготовления оконных переплетов являются древесина, сталь и алюминий. Среди полимерных материалов для применения в конструкциях оконных и дверных блоков наиболее приемлемы стеклонаполненные термореактивные материалы на основе полиэфирных смол –полиэфирные пластики. Эти материалы обладают всеми положительными качествами полимеров, не имея недостатков, присущих термопластам. Например, полиэфирные стеклопластики обладают теплопроводностью дерева, прочностью и долговечностью металла, биологической стойкостью, влаго- и атмосферостойкостью полимера.

Таблица 1 Сравнительные физико-механические и теплофизические свойства

Физико-механические характеристики Стеклопластик Стекло ПВХ Сталь Алюминий Древесина (сосна) Плотность, т/м3 1,6-2, 2,2 1,4 7,8 2,7 0,46-0,53 Разрушающее напряжение при сжатии (растяжении), мН/м2 (мПа) 410-1180 35 41-48 410-480 80-430 40-80 Разрушающее напряжение при изгибе, мН/м2 (мПа) 690-1240 25-50й 80 400 275 80 Модуль упругости при растяжении, гПа 21-41 50-85 2,8 210 70 11 Модуль упругости при изгибе, гПа 27-41 50-85 2,8 210 70 10 Коэффициент линейного расширения, х10 0С 5-14 3,2-11 57-75 11-14 22-23 5,4-34 Коэффициент теплопроводности, Вт/м х 0С 0,3-0,35 0,45 0,15-0,35 46 140-190 0,04-0,1

При реконструкции жилых домов, в значительной части случаев надстраиваются мансардные этажи из легких конструкций и материалов с повышенными теплозащитными свойствами.

Перспективным решением облегченных конструкций каркасов мансардных этажей являются каркасы с использованием металлодеревянных конструкций, сочетающих преимущества дерева и металла как материалов. Совместная работа металлического листа и обжимающих его деревянных досок позволяет существенно снизить вес конструкции и уменьшить расход металла в 4 раза при обеспечении необходимой несущей способности.

Разработаны варианты возведения мансард укрупненными пространственными блоками.

Конструктивные решения объемных блок-комнат для устройства мансарды обеспечивают максимальное снижение веса и необходимую жесткость элементов для их транспортировки и монтажа. Этим требованиям отвечают, в частности, следующие варианты конструктивных решений.

Металлический каркас, который омоноличивается полистиролбетоном в плоскости пола, покрытия, наружных и внутренних стен. При этом толщина наружных стен и пола принимается по теплотехническому расчету для каждого региона, а межкомнатных и межквартирных стен (перегородок) - с учетом прочностных и звукоизоляционных требований.

Одним из объемных блоков мансарды, разработан по эскизам АИИСТ Управлением строительства № 2 Спецстроя России. Блок состоит из шести панелей - пола, потолка, боковой, фасадной, торцевой стен и кровли. Все панели, кроме кровельной, имеют стальной каркас из “С” - образных гнутых профилей 120х60х4 и 160х60х5, заполненный полистиролбетоном g=300 кг/м³, армированный металлической сеткой Ж 6 мм с ячейками 100х100 мм. Боковые и торцевые панели с обеих сторон обшиваются гипсокартонным листом.

Энергоэффективность мансардных надстроек обеспечивается помимо эффективных ограждающих конструкций также выбором рациональных систем отопления.

Анализ показывает, что при отсутствии резервных мощностей наиболее эффективным решением теплоснабжения мансардных надстроек является использование индивидуальных поквартирных котлов. При этом варианте минимальны как капитальные затраты, так и годовые эксплуатационные расходы.

Энергосберегающие инженерные системы

Как показывает опыт, значительная, а в конкретных условиях – большая доля эффекта энергосбережения может быть получена при модернизации существующих и внедрении новых инженерных систем, энергоисточников, оборудования и контрольно-измерительных приборов по энергосбережению при эксплуатации объектов.

Принципиальными являются три составляющих.

Повышение КПД котельного оборудования; устранение теплопотерь в магистральных и внутриквартальных тепловых сетях; Модернизация систем отопления и горячего водоснабжения зданий, поквартирный учет и регулирование потребления энергоресурсов.

Рекомендуемые мероприятия:

• использование высокопроизводительного котельного оборудования, в том числе локальных котельных контейнерного типа, при размещении которых на крыше зданий исключается необходимость в тепловых сетях;

• переход на автоматизированные индивидуальные тепловые пункты с исключением применения струйных смесителей - насосов (элеваторов) со свободным количественным и качественным регулированием теплоносителя для пофасадной и секционной подачи. Установление режимов отопления для дневного, ночного времени, зимнего и осенне-весеннего периодов, выходного дня, дежурного отопления и т.д.

Переход на автономные, независимые от централизованного теплоснабжения системы горячего водоснабжения с использованием поквартирных газовых или электроводонагревателей и двуставочного тарифа оплаты за электроэнергию.

До 25% от общего возможного эффекта по экономии тепловой энергии  можно получить при установке поквартирных приборов учета расходования горячей воды (8–10%) и приборов учета и регулирования систем отопления, способствующих исключению перегрева помещений при межсезонном и временном повышении температуры наружного воздуха и по комнатному регулированию температуры в отопительный период (10–12%).

При реконструкции существующих домов и проектировании новых целесообразно применять принципиально новые системы отопления.

Наибольшее распространение в массовом жилищном строительстве в России получили вертикальные однотрубные системы отопления. В указанных системах невозможно в полной мере реализовать потенциальные возможности энергосбережения.

Организация поквартирного учета расходования теплоносителя в этих системах сложна технически и требует больших материальных затрат.

Существенная экономия тепловой энергии и повышение уровня теплового комфорта в отапливаемых помещениях достигается при применении горизонтальных систем отопления с поквартирным распределением теплоносителя.

Горизонтальные системы отопления могут выполняться в двух вариантах:

• с кольцевой разводкой трубопроводов по периметру наружных стен (рис.5 а);

• с лучевой разводкой и подачей теплоносителя к каждому прибору от специального коллектора по гибким трубопроводам, проложенным в полу по кратчайшему пути (рис. 5 б).

Экономия тепловой энергии при эксплуатации рассматриваемых систем составляет 20–25% за отопительный сезон по сравнению с существующими вертикальными отднотрубными системами отопления.

Ориентировочные расчеты показывают, что при совокупной реализации мероприятий по модернизации инженерных систем, расходы тепла в жилых и общественных зданиях на отопление и нагрев приточного или инфильтрирующего воздуха возможно сократить на 30–40%. При этом единовременные капитальные затраты будут значительно (от 2 до 10 раз) ниже, чем затраты на увеличение термического сопротивления стен.

В целом возможно реально довести расчетные потери тепла в жилых зданиях до уровня достигнутого в передовых странах - 30–35 Вт/м².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Очевидно в ближайшие два-три десятилетия, на стыке периодов исчерпания традиционных и недостаточного развития новых энергоисточников, возникнет дефицит энергоресурсов и резкое их удорожание, и задача экономии энергоресурсов станет приоритетной.

В связи с этим в сфере создания, модернизации и эксплуатации строительной продукции доминирующим фактором станет обеспечение минимальных теплопотерь в зданиях за счет разработки и использования энергоэкономичных объемно-планировочных и конструктивных решений, новых с высоким коэффициентом сопротивления теплопередаче строительных материалов и изделий, энергоэффективного оборудования и регулируемых, в том числе нетрадиционных, систем энергообеспечения. Приоритетное направление развития строительных материалов, изделий и оборудования будет принадлежать энергосберегающим видам.

Исходя из изложенного, с достаточной степенью достоверности можно полагать, что развитие конструктивных систем, строительных материалов, изделий и оборудования в начале XXI века будет происходить по традиционным и новым направлениям, удовлетворяющим требованиям энергосбережения, экологической безопасности, технологичности, экономичности, малой трудоемкости возведения, адаптивности к условиям реконструкции и модернизации жилых и производственных зданий.