Здания XXI века – здания с нулевым потреблением энергии

Карл Гертис, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой физики строительных конструкций Штутгартского университета, директор Института строительной физики им. Фраунгофера (Германия)

Теперь уже весь мир осознает, что мы неудержимо приближаемся к изменению климата. Такие климатические изменения периодически случались в истории нашей планеты, однако, впервые это вызвано деятельностью человека, и скорость текущих изменений беспрецедентна. СО₂, выделяемый при сгорании ископаемого топ-лива и кислорода, изменяет сос-тав нашей атмосферы. Кроме всего прочего, неконтролируемое использование ископаемой энергии ведет к драматическому истощению мировых запасов ископаемых энергоносителей. Малейшая экономия энергии, особенно в густозаселенных местах, ведет к снижению объема выброса загрязняющих веществ и, следовательно, помогает защитить окружающую среду.

Единственная область, где можно резко снизить объемы потреб-ляемого топлива и, как следствие, расход энергии и объемы выбросов – это существующие и новые здания, для этого необходимо улучшить теплоизоляцию и установить более эффективные отопительные системы. Для снижения выбросов СО₂ и защиты окружающей среды в будущем нам придется обходиться намного меньшим количеством энергии для отопления, чем мы использовали до сих пор. В то время, как существующие не усовершенствованные здания старой постройки расходуют на отопление от 300 до 400 кВт•ч/м²  энергии, потребность в отопительной энергии для зданий будущего поколения составит от 20 до 40 кВт•ч/м². Так что основная характеристика архитектуры зданий будущего – это ультранизкое и даже нулевое потребление энергии. Но эта задача не одного десятилетия, предстоит долгий путь перехода от существующих зданий к зданиям с нулевым потреблением энергии.

В таблице представлены пять этапов повышения энергетичес-кой эффективности зданий. Каждому этапу соответствует своя группа зданий. Благодаря быстрому развитию науки и переходу на использование новых энергоэффективных строительных конструкций и материалов, возможен переход от зданий старой постройки (группа 1) к зданиям с нулевым расходом энергии (группа 5). Проведенные в Германии исследования показывают, что в помещениях зданий старой постройки, на обогрев одного квадратного метра требуется от 300 до 400 кВт•ч/м², а в зданиях, построенных в течение последних 20 лет, потребность в отопительной энергии снижена до 150–200 кВт•ч/м² (группа 2). Сегодня уже эксплуатируются жилые здания, построенные с использованием новейших энергосберегающих технологий и с применением современных энергоэффективных материалов, в которых удельный расход энергии на отопление составляет около 20 кВт•ч/м² (группа 4).

Результаты, представленные в таблице, были подтверждены не только математическими расчетами с применением вычислительной техники, но и фактическими замерами, проведенными внутри многих существующих зданий: расход энергии на отопление измерялся в жилых зданиях в течение как минимум двух отопительных сезонов и летнего периода между ними, а результаты измерений были зафиксированы. Изучение строительных объектов показало, что энергосбережение является основополагающим моментом, влияющим на выбор того или иного архитектурного и строительного решения.

В общих чертах можно сказать, что путь перехода от зданий группы 1, с удельным расходом энергии на отопление 300–400 кВт•ч/м², к зданиям группы 3, с низким энергопотреблением (LEH), расходующих на отопление от 40 до 80 кВт•ч/м², четко обозначен – для снижения энергопотребления зданий достаточно учесть следующие элементы, перечисленные в порядке их значимости:

– высокоэффективная теплоизоляция зданий;

– современные «интеллектуальные» отопительные установки и системы регулировки отопления, соответствующие высокому уровню теплоизоляции с высоким КПД;

– большие стеклянные поверхности (окна) для пассивного использования солнечной энергии, установленные, преимущественно, с южной стороны здания;

– рекуперация тепла в системах вентиляции, регулируемых пользователем;

– положительное отношение жильцов к зданиям с низким энергопотреблением. Выбирая режим проветривания и температуру помещения, потребитель значительным образом влияет на тепловой баланс здания и, тем самым, на потребление энергии на отопление. Поэтому проекты современных энергоэффективных зданий должны предусматривать тесное взаимодействие с жильцами, иначе возможно либо снижение уровня комфорта, либо увеличение потребления энергии.

Эффективность каждого отдельно взятого элемента можно увидеть непосредственно из теплового баланса здания. Так, на рис. 1 приведен пример теплового баланса здания группы 1 в сравнении с тепловым балансом здания группы 4. В левой колонке показаны тепловые потери, а в правой – теплопоступления. Разница (не закрашенная область) показывает расход энергии на отопление Н, который можно снизить с 400 кВт•ч/м², затрачиваемых в настоящее время в зданиях старой постройки, до 40 кВт•ч/м² (здания с ультранизким энергопотреблением), т. е. расход энергии на отопление уменьшается в 10 раз. Такие балансы можно составлять без особых усилий. Каждая отдельная составляющая баланса (V, T, S, I, R, H) просто должна быть графически сложена с остальными, как это показано на рис. 1.

Рисунок 1. Годовой тепловой баланс здания старой постройки и здания с ультранизким энергопотреблением

Если в зданиях старой постройки применять современную высокоэффективную теплоизоляцию, не используя другие возможности снижения энергопотребления, то можно сэкономить существенное количество энергии, величина которой обозначена на рис. 1 как D изоляции. Таким образом, очень важным элементом является теплоизоляция наружных стен здания. Конструкция окон также оказывает существенное влияние на тепловую эффективность здания как за счет теплопотерь, так и за счет инфильтрации. Отметим, что оптимизация формы, размеров и конструкции заполнений светопроемов поз-воляет обеспечить дополнительную экономию энергии за счет использования естественного освещения. Из этого можно сделать вывод, что для достижения удовлетворительного общего теплового баланса здания, конструкция окон должна быть гармоничной – не только в отношении внешнего вида фасада и конструкции, но и в отношении ориентации зданий в пространстве (беря во внимание расположение соседних конструкций, закрывающих внутреннее пространство).

Итак, из рис. 1 можно сделать следующие выводы:

– повысив эффективность тепловой изоляции наружных ограждающих конструкций здания, можно существенно снизить коэффициент теплопередачи Т, таким образом сэкономить огромное количество энергии;

– потери тепловой энергии при вентиляции V практически не изменяются, т. к. зданию любой группы (см. таблицу) необходима хорошая вентиляция как в гигиенических целях, так и, что еще важнее, для предотвращения проблем с конденсацией влаги и развитием плесени. Однако при установке сов-ременной системы рекуперации тепла можно использовать часть энергии R;

– количество дополнительной тепловой энергии, полученной за счет солнечной энергии S, в здании группы 4 останется приблизительно на том же уровне, что и в здании старой постройки;

– величина энергии бытовых теплопоступлений I останется приблизительно такой же, как и сейчас, т. к. количество бытовых электрических приборов в жилых помещениях в будущем возможно и увеличится, но и эффективность бытовой техники постоянно повышается. Таким образом, при большем количестве электрических приборов величина теплопоступления от них останется приблизительно такой же.

Еще раз отметим, что важным моментом является изменение привычек и отношения жильцов к вопросам энергосбережения. Они могут уже сейчас и смогут в будущем влиять на долю энергетических потерь от вентиляции V простым открытием / закрытием форточки.

В настоящее время при строительстве новых домов необходимо составлять энергетический баланс здания, учитывающий теплопотери и тепло от дополнительных источников энергии. Энергетический баланс должен быть составлен на самом раннем этапе строительства, еще на стадии эскизного, а затем и рабочего проекта.

Рисунок 2. Здание с фотоэлементами и солнечными коллекторами на крыше имеет отличную тепловую изоляцию

В Германии существуют жилые здания, способные обеспечивать свои собственные энергетические потребности. У этих зданий высокоэффективная теплоизоляция стен, окон и крыши.

Например, в одном из таких зданий потребность в электроэнергии покрывается за счет фотогальванических элементов, установленных на крыше. Более того, на крыше установлены солнечные коллекторы, способные нагревать, особенно в летнее время, хорошо изолированный водяной бак объемом около 10 м³. Этот водяной бак расположен в подвале, на месте «масляного бака», который уже не используется. Водяной бак является системой аккумуляции сезонной энергии, и позволяет использовать в зимнее время часть солнечной энергии, накопленной летом.

В проектах подобных домов  следует учитывать расход энергии за весь период жизненного цикла здания, т. е. расход энергии на строительство, эксплуатацию, снос и утилизацию здания. При расчете жизненного цикла здания необходимо учесть не только потоки энергии, но и потоки материалов и отходов. Иначе для здания с низким энергопотреблением, но построенного с большими энергетическими затратами, общие затраты энергии за период жизненного цикла могут оказаться очень велики.

Решающим значением для любой национальной экономики и экологического успеха в области сбережения энергии, затрачиваемой на отопление, является принятие адекватных энергосберегающих мер не только в отношении новых строящихся зданий, но и уже существующих зданий старой постройки. Повышение энергетической эффективности существующих зданий должно неукоснительно выполняться параллельно с модернизацией их конструктивных эле-ментов. Очевидно, что создание в XXI веке городов с нулевыми выбросами возможно только в случае энергетической модернизации большого количества зданий старой постройки. Этого невозможно добиться за несколько лет, но такая задача должна быть поставлена и выполнена в течение оставшихся 90 лет этого столетия.