Энергоэффективность наружных конструкций зданий

В. К. Савин, доктор техн. наук, профессор, член-корр. РААСН, член Строительного отделения Восточно-европейского союза экспертов (OSV)

Правильная социально-экономическая политика в области строительства должна учитывать интересы всего народа, интересы предприятий и отдельно взятого работника.

Энергоэффективность ограждающих конструкций зданий означает минимальное потребление энергии из недр земли при максимальной производительности труда в строительстве и обеспечении комфортных условий в помещениях зданий. Строительная отрасль является главным потребителем тепла и энергии. Ежегодно она расходует около 60% всего добываемого топлива, идущего на внутренний рынок.

В настоящее время в строительстве постепенно формируются предпосылки широкомасштабного кризиса. Главными причинами непродуктивной экономики строительства является повышение технологических (энергетических) издержек производства из-за резкого увеличения энергоемкости (материалоемкости) строительства и сокращения срока службы зданий. При этом надо учитывать, что строительная отрасль относится к жизненно важному сектору экономики, даже если она и убыточна.

Проведем энергоэкономический анализ основных факторов, влияющих на энергосбережение оболочки здания.

- Фактор первый. Одним из важных факторов энергосбережения является правильный выбор объемно-планировочных решений. По этому поводу имеется множество статей и монографий, в которых проводится подробный анализ влияния объемно-планировочных решений на потери тепла через оболочку здания. Однако во всех городах строятся дома-башни, хотя совершенно очевидно, что с точки зрения экономии энергии и ресурсов их следует отнести к энергодеффективным зданиям. Если, например, 3 дома-башни соединить вместе, то теплопотери через стены среднего здания будут в 2 раза ниже. Ко второй грубой ошибке проектирования при разработке объемно-планировочных решений следует отнести строительство домов – нагревательных приборов. Развитая наружная поверхность нагревательного прибора, например чугунного радиатора, выполняется с целью максимальной отдачи тепла во внутрь помещения. Проектируемые дома – нагревательные приборы с лоджиями, балконами, эркерами, различными выступами и т. п. элементами также, как и нагревательный прибор, способствуют максимальной отдаче энергии, отапливая улицу. Особенно этот фактор проявляется в климатических условиях России, где наблюдается сочетание низких температур с большими значениями скорости ветра. На отопление таких зданий расходуется в несколько раз больше тепла. Если мы действительно хотим экономить, то решение первых двух проблем лежит на поверхности – значительно сократить или прекратить строительство домов-башен и домов – нагревательных приборов.

- Фактор второй касается срока службы здания. Чтобы экономить энергию и одновременно увеличить производительность труда в строительстве, нужно строить здания длительного пользования. Начиная с 60-х годов наша страна перешла на индустриальное массовое строительство панельных зданий с коротким сроком службы (не более 30–70 лет эксплуатации). Например, в Москве ежегодно возводится 70–80% панельных зданий от общего объема строительства 3 млн м². Если посмотреть вокруг, то увидим, что в Европе в одном доме, построенном в средние века, прожили десятки поколений. У нас же человек, родившийся в панельном доме, на старости лет должен покупать новую квартиру или становиться бомжом. Через 20–30 лет многие наши города, в том числе и Москва, будут превращаться в «мертвые города».

Еще в 2000 году мэр Москвы Ю. М. Лужков поднял проблему сноса старых зданий. Он сказал, что «если принять средний срок службы, равным 50 годам, то для компенсации сноса в год требуется еще около 3,8 млн м². Итого 7,8 млн м². Сегодня проблема не проявляется так радикально, но, если не принять срочных мер, она будет нарастать…». Решение проблемы – надо строить дома и сооружения с длительным сроком службы.

- Фактор третий – самый сложный и дискуссионный. Он связан, с одной строны, с расходом энергии, идущей на строительство оболочки здания, а с другой стороны, с потерями тепла при ее эксплуатации.

Парадокс этой взаимосвязи заключается в том, что с увеличением уровня теплозащиты ограждения уменьшается расход энергии. В то же время увеличивается энергоемкость конструкции, т. е. увеличивается расход энергии на его создание и монтаж. Госстроем России проводится политика одновременно по двум направлениям: по «снижению материало- и энергоемкости зданий и сооружений и, как результат, снижению использования невозобновляемых природных ресурсов», а также поэтапному из года в год повышению уровня теплозащиты зданий.

И первое, и второе направления эксплуатируют частные, локальные эффекты экономии энергии, которые на самом деле взаимно исключают друг друга. Так, снижая энергоемкость зданий, мы увеличиваем расходы на их отопление, а снижая эти расходы, мы повышаем энергоемкость зданий.

В связи с этим необходим простой и надежный метод расчета энергоэффективности оболочки здания, который из множества переменных величин, связанных с энергоемкостью всего здания и его теплопотерями, позволил бы выделить наиболее значимые параметры, затем исследовать связи между ними, и в количественной форме, используя простой математический аппарат, получить оптимальное решение задачи.

Такой метод расчета был проанализирован в одной из работ, основанной на генеральной идее Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика»: «…снижение энергоемкости отраслей экономики» и перевод экономики страны на энергосберегающий путь развития для «…обеспечения разумных энергетических потребностей населения в различных видах энергоресурсов».

Он заключается в том, что поэлементно наружные ограждающие конструкции (стены, окна, покрытия и полы) рассчитываются по затратам тепла на отопление и затратам энергии на их изготовление, транспорт и монтаж с учетом срока службы каждого элемента и здания в целом, климатического района строительства при обеспечении в помещениях комфортных условий согласно строительным нормам.

	Рисунок 1. (увеличить) Схема расхода невозобновляемых источников энергии на отопление здания и на создание наружных ограждающих конструкций
	Рисунок 2. (увеличить) Зависимость k^сум от R^пр0 при различных значения критерия Sa

На рис. 1 показана схема расхода невозобновляемых источников энергии, извлекаемых из недр земли, на отопление здания qэобщ и на создание наружных ограждающих конструкций q^к_общ. Общее количество энергии q^к_общ равно сумме q^э_общ и q^к_общ.

Таким образом, суммарные удельные энергетические затраты любого элемента оболочки здания (стены, окна, покрытия, пола) q_сум равны сумме теплопотерь на отопление q_э и его создание q_к.

Решение задачи заключается в определении минимальных удельных энергетических затрат q^min_сум с помощью применения теории размерностей, теории подобия и теории теплообмена.

Минимальное значение приведенного сопротивления теплопередаче R^min₀, при котором будут минимальные удельные энергетические затраты q^min_сум, можно определить по формуле:

R^min₀ = 1/Sa^1/2, м²•°C/Вт. (1)

Безразмерный критерий Sa имеет глубокий теплофизический и экономический смысл. Он показывает, насколько теплопотери 1 м² ограждающей конструкции, сопротивление теплопередаче которой R^*₀, больше или меньше тепловой энергии, затраченной на ее создание и монтаж за срок службы ограждения.

Sa = q^*_k/q^*_э  = k^*_k/k^*_э = Q^*_k R^*₀/(24 D Z^{^}), (2)

где Sa – безразмерный критерий, в котором: Q^*_k – энергоемкость, Вт•ч 1 м² элемента наружного ограждения, сопротивление теплопередаче которого R^*₀ = 1 м²•°C/Вт; D – градусо-сутки отопительного периода, °C•сут.; Z^{^} = Z/Z_от.пер.– безразмерная величина, численно равная сроку службы ограждения.

Из формулы (1) видно, что для любого климатического района строительства различные конструкции стен, окон, полов и покрытий имеют свои оптимальные значения R^min₀ , а не постоянную величину. Поэтому нормировать, например, для Москвы R^тр₀ = 3,2 м²•°C/Вт и более для всех конструкций стен нельзя, потому что в зависимости от энергоемкости конструкции и ее долговечности R^min₀ может быть больше или меньше R^тр₀. Отклонение величин R^min₀  в ту или другую стороны ведет к перерасходу энергии, забираемой из недр земли.

В табл. 1 для Москвы и Московской обл. (D = 5 000 °C•сут.) приведены значения R^min₀ элемента ограждающей конструкции в зависимости от энергоемкости Q^*_k и его срока службы Z^{^}.

В табл. 2 при Z^{^} = 25 лет даны значения R^min₀  для различных климатических районов строительства.

Энергоемкость Q^*_k элемента наружного ограждения (количество энергии, вложенное в создание 1 м² элемента ограждения, сопротивление теплопередаче которого составляет R^*₀ = 1 м²•°C/Вт) можно определить двумя способами:

- представить в виде энергетических затрат как сумму затрат ТЭР на добычу, переработку и доставку сырья, изготовление элемента ограждения, транспортные расходы и на его монтаж;

- оценить приближенно через отношение стоимости 1 м² элемента конструкции, сопротивление теплопередаче которого составляет 1 м²•°C/Вт к стоимости тепловой энергии, выраженной в Вт•ч/м².

Задача проектировщика заключается в разработке конструкции стены, окна, пола и покрытия с наименьшим значением суммарного коэффициента теплопередачи k_сум:

k^{^}_сум = 1/R^{^пр}₀ + Sa R^{^пр}₀ , (3)

где k^{^}_сум = k_сум /k^*_э – безразмерная величина суммарного коэффициента теплопередачи и энергоемкости 1 м² элемента наружного ограждения при разности температур 1°C, представляющего отношение суммарного коэффициента теплопередачи k_сум, Вт/(м²•°C) к коэффициенту теплопередачи k^*_э = 1 Вт/(м²•°C);

R^{^пр}₀ = R^пр₀ /R^*₀ – безразмерная величина приведенного сопротивления теплопередаче, представляющая отношение приведенного сопротивления R^пр₀ к сопротивлению теплопередаче R^*₀, величина которого равна R^*₀ = 1 м²•°C/Вт.

Для получения минимального значения k_сум необходимо выбрать вариант ограждающей конструкции с наибольшим значением R^{^пр}₀ и наименьшим критерием Sа (рис. 2). Увеличение уровня теплозащиты R^пр₀ непрозрачных элементов оболочки здания достигается путем увеличения толщины элемента или уменьшения коэффициента теплопроводности его материала. Например, при одинаковой толщине стен высокий уровень теплозащиты можно получить, применив теплоизоляционные материалы вместо конструкций из кирпича или дерева. Однако в этом случае срок службы стены резко сократится, и нам придется ее демонтировать и вновь строить, затратив при этом почти в 2 раза больше энергии. Этот парадокс в нашем методе расчета решается с помощью критерия Sа, который связывает уровень теплозащиты, срок службы конструкции и энергию, затраченную на ее создание.

Определив k_сум с наименьшими значениями для каждого элемента оболочки здания, находим минимальное значение общего коэффициента теплопередачи и энергоемкости k^min_общ, который равен сумме произведений k_сум каждого элемента на площадь этого элемента, деленной на общую площадь наружной поверхности оболочки здания.

Если мы и дальше будем эксплуатировать частный эффект экономии тепла путем недостаточно обоснованного увеличения уровня теплозащиты, то получим еще больший спад ввода жилых домов на 1 000 жителей, несмотря на увеличение из года в год производства строительных материалов и энергии на их изготовление.

Покажем как можно применять на практике метод энергоэкономического анализа на примере расчета двух вариантов стен.

Вариант первый.

Однослойная кирпичная стена, коэффициент теплопроводности которой равен l = 0,6 Вт/(м•°C). Для создания 1 м² стены в Москве (D = 5 000 °C•сут.), сопротивление теплопередаче которой равно R^*₀ = 1 м²•°C/Вт, требуется 200 шт. кирпича. Стоимость 1 кирпича 3–4 руб. (принимаем цену за 1 шт. – 3 руб. 50 коп.), или 700 руб. за 200 шт.

Стоимость кладки 0,5 м³ с учетом стоимости раствора и работы примем также 700 руб. Итого: затраты на создание 1 м² кирпичной кладки с уровнем теплозащиты R^*₀ = 1 м²•°C/Вт составляют C* = 1 400 руб./м².

Тариф на тепловую энергию, отпускаемую потребителям Москвы с мая 2002 года (Постановление правительства Москвы от 20 февраля 2002 года № 07), cт = 238 руб./Гкал = 0,21 руб./кВт•ч.

В соответствии с этим определяем энергоемкость 1 м² стены, сопротивление теплопередаче которой равно R^*₀ = 1 м²•°C/Вт.

Q^*_k = 6,67•106 Вт•ч/м².

Критерий Sa, вычисленный по формуле (2):  Sa = 1,1,

где Z^{^} = 50 – срок службы кирпичной стены без капитального и текущего ремонта.

Минимальное (оптимальное) значения сопротивления теплопередаче, вычисленное по формуле (1), составляет

R^min₀ = 0,95 м²•°C/Вт.

Обращаясь к графику (рис. 2) или к формуле (3), видим, что в интервалах изменения Sa = 1–1,1 (R^{^пр}₀ = 0,95–1) значение k^{^}_сум минимально и равно k^{^}_сум = 2 или k_сум = 2 Вт/(м²•°C).

Вариант второй.

Двухслойная стена, состоящая из кирпичной кладки в один кирпич (R_k = 0,25/0,6 = 0,42 Вт/(м²•°C)) и наружной теплоизоляции, коэффициент теплопроводности которой равен l = 0,05 Вт/(м•°C).

Сопротивление теплопередаче стены с толщиной теплоизоляции d^* = 0,021 м составляет R^*₀ = 1 м²•°C/Вт.

Стоимость 1 м³ утеплителя равна 800 руб., стоимость 1 м² утеплителя толщиной d* = 0,021 м составляет 16,8 руб. Затраты (с учетом крепления утеплителя к стене) принимаем 100 руб. Общие затраты кирпичной кладки (1 400/2 = 700 руб., см. первый вариант) с устройством теплоизоляционного слоя составляет C^* = 700 + 100 = 800 руб./м².

Энергоемкость 1 м² двухслойной стены, сопротивление теплопередаче которой равно R^*₀ = 1 Вт/(м²•°C):

Q^*_k = 3,81•106 Вт•ч/м².

Критерий Sa равен 0,57.

Минимальное (оптимальное) значение сопротивления теплопередаче будет R^min₀ = 1,32 м²•°C/Вт,  что соответствует теплоизоляции слоя d = 37 мм.

Для первого варианта стены суммарный коэффициент теплопередачи и энергоемкости равен k¹_сум = 2 Вт/(м²•°C), а для второго – k^{^2}_сум = 1,5 или k_сум = 1,5 Вт/(м²•°C).

Годовая экономия тепла при двухслойном варианте стены составляет

Dq = 0,024•D•Dk_сум = 60 кВт•ч/м²,

где Dk_сум = k¹_сум - k²_сум = 2 - 1,5 = 0,5 Вт•ч/м².

Тел.: (095) 482-3958