Концепция энергоэффективного здания

Европейский опыт

Б. М. Шойхет, канд. техн. наук, зам. директора по техническому развитию компании «Сен-Гобен Строительная Продукция РУС»

За последние 30 лет мировое энергопотребление выросло почти в два раза и составило в 2000 году 12,3 млрд т. у. т. Среднегодовые темпы прироста мирового энергопотребления составили 2,7 % [1]. Внутреннее энергопотребление в России в 2005 году составило 945–975 млн т. у. т. при производстве порядка 1 600 – 1 650 млн т. у. т. [2].

Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) являются необходимым условием существования современной цивилизации. Учитывая естественную ограниченность мировых запасов ТЭР, при существующих объемах и темпах роста потребления, очевидной является возможность возникновения их дефицита в обозримом будущем, лет через 30–50. В связи с этим одним из приоритетных направлений в развитии мировой экономики является ограничение темпов роста потребления энергетических ресурсов за счет повышения энергоэффективности объектов в строительстве, промышленности, ЖКХ и на транспорте, внедрения энергосберегающих технологий и материалов.

Актуальность проблемы энергосбережения особенно высока для стран с высоко развитой экономикой и, в первую очередь, для стран Европы, где до 70 % энергопотребления удовлетворяется за счет импорта [3].

Политика энергосбережения в Европе практически реализуется в принятой Европарламентом и Советом ЕС в 2002г. Директиве 2002/91/ЕС «Energy Performance of Building» (EPBD). В соответствии с Директивой, существенно ужесточаются требования к экономии энергии в зданиях.

Директива EPBD предусматривает принятие странами-членами ЕС общих решений, включающих: единую методику расчета эффективности здания с точки зрения энергопотребления; минимальные нормы потребления энергии для всех новых  и  реконструируемых старых крупных зданий; систему сертификации зданий, регламентирующую количество потребляемой энергии и, соответственно, энергоэффективность здания (3).

Структура потребления топливно-энергетических ресурсов в Европе представлена на диаграмме рис.1. Из диаграммы видно, что около 40% ТЭР потребляется в строительстве, поэтому эта отрасль экономики имеет самый большой потенциал в плане реализации программ энергосбережения.

Рисунок 1. Структура потребления ТЭР в Европе

Компанией Сен-Гобен ISOVER разработана новая концепция энергоэффективного дома с нормой годового энергопотребления 15 кВт•ч/(м²•год) [4]. Реализация проекта обеспечивает одновременно повышение комфортности условий проживания и экономию энергетических ресурсов. На основе данной концепции уже построен и строится целый ряд зданий в Германии, Дании и других странах.

Концепция была разработана на основе результатов экспериментальных исследований эксплуатируемых зданий и методов математического моделирования процессов теплопередачи с использованием методов ИК-термографии при обследовании конструкций. В соответствии с разработанной концепцией при проектировании энергоэффективного здания соблюдаются несколько основополагающих архитектурных и строительных принципов.

В плане повышения энергоэффективности:

– оптимизация архитектурных форм здания с учетом возможного воздействия ветра;

– оптимальное расположение здания относительно солнца, обеспечивающее возможность максимального использования солнечной радиации;

– увеличение термического сопротивления ограждающих конструкций здания (наружных стен, покрытий, перекрытий над неотапливаемыми подвалами) до технически возможного максимального уровня;

– сведение к минимуму количества и тепловой проводимости, имеющихся в конструкции тепловых мостов;

– обеспечение необходимой воздухоплотности конструкции здания относительно притока наружного воздуха;

– повышение до максимального технически возможного уровня термического сопротивления светопрозрачных ограждающих конструкций;

– создание системы вентиляции для подачи свежего воздуха, удаления отработанного воздуха, распределения тепла в помещении и организация регенерации тепла вентиляционного воздуха.

Сочетание указанных выше факторов обеспечивает минимальное энергопотребление здания, при этом определяющими факторами повышения энергоэффективности здания являются увеличение термического сопротивления его конструктивных элементов и сокращение количества тепловых мостов.

Важным следствием снижения потребления энергии является уменьшение выбросов в атмосферу углекислого газа CO₂. По приведенным в [4] оценкам, выработка 150 кВт•ч/(м²•год) требует сжигания 15 м³ природного газа или 15 л нефти, что приводит к выбросу в атмосферу до 30 кг углекислого газа. Таким образом, при таком энергопотреблении на каждый квадратный метр площади здания в атмосферу выбрасывается до 30 кг углекислого газа в год. Снижение энергопотребления здания в 10 раз приводит к соответствующему снижению выбросов СО₂ в атмосферу.

Понятие комфорта в соответствии с современными представлениями включает: оптимальный для человека тепловой режим в помещении – оптимальная температура воздуха внутри помещения, отсутствие сверхнормативных перепадов температур между внутренними поверхностями помещения и температурой внутреннего воздуха (при «холодных» стенах возрастает интенсивность радиационного теплообмена между поверхностью стен и поверхностью тела человека), отсутствие в помещении конвективных потоков воздуха, которые воспринимаются как «сквозняки», обеспечение оптимальной влажности воздуха в помещении (при повышенной влажности воздуха в помещении возрастает коэффициент теплоотдачи от тела человека к воздуху, что воспринимается как дискомфорт), оптимальный состав воздуха в помещении, в первую очередь, наличие необходимого количества кислорода и отсутствие обладающих неприятным запахом и вредных для здоровья человека примесей (свежий воздух).

Повышение комфортности условий проживания в рамках предлагаемой концепции заключается:

– в возможности уменьшения перепада между температурой внутренней поверхности ограждающих конструкций (наружных стен, покрытий, перекрытий над подпольями) и температурой внутреннего воздуха. По СНиП 23-102–2003 этот показатель для жилых зданий имеет значения, соответственно, 4,0; 3,0; 2,0 °С;

– в равномерном распределении температуры воздуха внутри помещения, исключении «сквозняков»;

– в обеспечении оптимального влажностного режима помещений за счет равномерной во времени принудительной вентиляции помещений (вместо периодического «открывания-закрывания» форточек, окон и дверей;

– в обеспечении кислородного баланса снаружи и внутри здания за счет равномерной во времени принудительной вентиляции помещений;

– в обеспечении возможности кондиционирования воздуха при его постоянной или периодической во времени принудительной подаче в помещение.

Мультикомфортный дом предоставляет большие возможности при проектировании зданий в зависимости от национальных традиций и географического месторасположения, однако, ничего фундаментально отличающегося от обычного строительства нет. С экономической точки зрения реализация такого проекта требует увеличения капитальных затрат на строительство на 5–8 %, однако, эти вложения окупаются экономией энергии и, соответственно, снижением эксплуатационных затрат и обеспечением комфортных условий проживания.

Среди примеров реализации концепции есть жилые дома, общественные и производственные здания. Технические решения по мультикомфортному зданию адаптированы для различных климатических условий. Например, для жарких стран особое внимание уделяется комфорту в летний сезон, для холодных стран – герметичности и разработке системы вентиляции. Таким образом, мультикомфортный дом ISOVER подходит для любых климатических зон.

Среднее потребление энергии в европейских зданиях составляет 200–300 кВт•ч/(м²•год). Анализ структуры энергопотребления показывает, что в зданиях старой застройки до 70–80 % энергии расходуется на отопление и по 10–12 % на горячее водоснабжение и электроснабжение.

Энергопотребление зданий, построенных по старым нормам тепловой защиты, может быть снижено на 70–75 % относительно существующего среднего уровня. Такое снижение энергопотребления достигается преимущественно за счет применения эффективной тепловой изоляции в конструктивных элементах зданий. Действующие в Европе строительные нормы устанавливают потребление энергии на уровне 80–100 кВт•ч/(м²•год). У нового поколения домов, которые проектируются и строятся в  соответствии с новой концепцией, уровень энергопотребления должен быть не выше 15 кВт•ч/(м²•год). Определяющим фактором, позволяющим обеспечивать такой норматив, является применение эффективной тепловой изоляции в строительных конструкциях.

На диаграмме рис. 2 показаны уровни и структура энергопотребления в эксплуатируемых ныне в Европе зданиях, отличающихся как конструктивными решениями, так и временем постройки (сроком эксплуатации). Для анализа структуры энергопотребления данные приведены для конкретных регионов с количеством ГСОП (градусо-суток отопительного периода), равным 3 400.

На рис. 2 приведены характеристики и структура энергопотребления четырех типов зданий.

Рисунок 2. Структура и уровень энергопотребления в зданиях в Европе

1-й тип. К данному типу относятся сельские постройки, старые здания, построенные в период 1945–1970 годов. Уровень потребления тепловой энергии на единицу жилой площади при количестве ГСОП, равном 3 400, составляет 250–300 кВт•ч/(м²•год). Примерные затраты жидкого топлива на энергообеспечение этого типа зданий в расчете на 1 м²/год составляют 25–30 л. Тепловая защита, очевидно, недостаточна. Расходы на отопление являются слишком высокими и экономически необоснованными. Необходимость тепловой реконструкции очевидна.

2-й тип. Это типичные жилые здания, построенные в 50–70-е годы прошлого века. Уровень потребления тепловой энергии на отопление при количестве ГСОП, равном 3 400, составляет 100–150 кВт•ч/(м²•год). Тепловая защита является недостаточной. Требуется тепловая реконструкция.

3-й тип. Энергоэффективные здания с низким потреблением энергии. Современные здания, которые строятся по новым технологиям с применением эффективных утеплителей. Уровень потребления тепловой энергии на отопление при количестве ГСОП, равном 3 400, составляет 40–50 кВт•ч/(м²•год). Примерные затраты жидкого топлива на энергообеспечение этого типа зданий в расчете на 1 м²/год составляют 4–5 л. Тепловая защита достаточная.

4-й тип. Энергоэффективные здания со сверхнизким потреблением энергии, соответствующие новой концепции Passive House. Уровень потребления тепловой энергии на единицу жилой площади при количестве ГСОП, равном 3 400, составляет менее 15 кВт•ч/(м²•год). Примерные затраты жидкого топлива на энергообеспечение этого типа зданий в расчете на 1 м²/год составляют 1,5 л. Тепловая защита является высоко эффективной.

Осредненные теплотехнические характеристики конструктивных элементов указанных типов зданий приведены в табл. 1.

Таблица 1 Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций зданий с различным энергопотреблением

Потребление тепловой энергии 250–300 кВт•ч/м2•год 100–150 кВт•ч/м2•год 40–50 кВт•ч/м2•год ≤ 15 кВт•ч/м2•год Конструктив- ный элемент сопротивление теплопередачи R, м2•K/Вт, и толщина изоляции, см Наружная стена (толщина 25 см) 0,77 м2•K/Вт; 0 см 2,5 м2•K/Вт; 6 см 5м2•K/Вт; 16 см 10 м2•K/Вт; 34 см Крыша 1,11 м2•K/Вт; 4 см 4,54 м2•K/Вт; 22 см 6,67 м2•K/Вт; 30 см 10 м2•K/Вт; 40 см Полы на грунте 1м2•K/Вт; 2 см 2,5 м2•K/Вт; 7 см 4 м2•K/Вт; 20 см 8,3 м2•K/Вт; 30 см Окна 0,38; одинарное остекление 0,58; двойное остекление 0,91; двойное остекление 1,25; тройное остекление

Структура тепловых потерь через конструктивные элементы здания и изменение структуры в зависимости от года постройки здания на примере малоэтажного жилого дома площадью 150 м² в Дании приведена в табл. 2.

Таблица 2 Структура тепловых потерь через конструктивные элементы здания

Конструктивные элементы 1950 год 1977 год 2000 год 2000 год (регенер) 2006 год % от общих тепловых потерь Фасады 28 12 13 16 14 Полы 22 14 13 16 15 Покрытия 10 10 10 13 14 Окна 23 30 27 34 31 Тепловые мосты 7 13 7 9 8 Вентиляция 10 20 29 12 17

Приведенные выше данные показывают, что потребность в тепловой энергии в эксплуатируемых и строящихся зданиях может быть значительно снижена за счет увеличения термического сопротивления конструктивных элементов и устранения тепловых мостов.

Для реализации предлагаемой концепции и обеспечения эффективной теплоизоляции зданий ISOVER разработал эффективные теплоизоляционные изделия на основе стекловолокна, со специальными свойствами, отвечающими их функциональному назначению.

На отечественном рынке представлены мягкие теплоизоляционные плиты марок KL 34; KL 37, применяемые в конструкциях скатных крыш, каркасных конструкциях, системах вентфасадов. Жесткие теплоизоляционные плиты марок OL-TOP, OL-P применяются в двухслойных конструкциях плоских покрытий с рулонной кровлей. Плиты RKL предназначены для наружного слоя в конструкциях вентфасадов.

Основными характеристиками этого ассортимента продукции являются экологическая безопасность, высокие теплоизоляционные, звукоизоляционные и противопожарные свойства, негорючесть и долговечность.

В соответствии с предлагаемой концепцией, повышение теплотехнической эффективности здания достигается за счет увеличения толщины теплоизоляционного слоя, устранения тепловых мостов и снижения воздухопроницаемости (повышения воздухоплотности) конструкций. Для решения этих задач Сен-Гобен СПР применяются конструктивные решения и теплоизоляционные материалы со специальными свойствами. В конструктивном плане рекомендуются многослойные (двух- и более слойные) решения, которые за счет установки теплоизоляционных плит наружного слоя с перекрытием швов внутреннего исключают образование тепловых мостов.

Этот принцип реализуется как в покрытиях (например, внутренний слой плиты OL-P, наружный OL-TOP), так и в стенах (вентфасады с применением плит KL 34 в качестве внутреннего слоя и плит RKL в качестве наружного).

Применение мягких плит KL 34 в качестве внутреннего слоя повышает сплошность теплоизоляционного слоя, снижает воздухопроницаемость конструкции за счет плотного прилегания теплоизоляционного материала к изолируемой поверхности.

Теплоизоляционные плиты RKL, кашированные стеклохолстом, помимо теплозащитных функций, одновременно выполняют функции ветрозащиты в вентфасадах.

Теплоизоляционные плиты VKL имеют уникальные технические характеристики и используются для прерывания тепловых мостов между несущими элементами конструкции. Эти плиты имеют толщину 13 мм и выпускаются размером 2,7 х 1,2 м. При плотности 120 кг/м³ их прочность на сжатие составляет 30 кПа. Плиты применяются в качестве термовкладышей между элементами каркаса в скатных крышах, каркасных зданиях, сэндвич-панелях, в качестве ветрозащитных элементов в легких конструкциях и др.

Оценивая возможность применения предложенной концепции в Российской Федерации, необходимо отметить следующее. Обозначенный уровень энергопотребления – 15 кВт•ч/(м²•год) – в Европе реализуется в регионах с количеством ГСОП, равным 3 400. В Российской Федерации к таким регионам относятся районы, расположенные в ЮФО южнее г. Ростов-на-Дону (3 523), Ставрополь (3 209), Астрахань (3 540), Элиста (3 668) и др. В более северных районах энергопотребление таких зданий будет существенно выше. Технико-экономическая эффективность этих зданий в современных условиях определяется сравнительной стоимостью материалов и ТЭР, которые имеют конъюнктурный и меняющийся во времени, преимущественно в сторону увеличения стоимости ТЭР, характер. Технически эта концепция может быть реализована, однако, это потребует применения дорогостоящих строительных конструкций, например, двухкамерных стеклопакетов с криптоновым заполнением. Срок окупаемости такого здания в России будет очень большим, что и будет определять возможность его реализации в нынешних экономических условиях. Таким образом, для России эта концепция на сегодняшний день не является экономически оптимальной. Это – дома будущего. Вместе с тем, уже сегодня в отечественной практике может быть использована значительная доля из предлагаемых в этом проекте технических решений, направленных на повышение энергоэффективности зданий, например, сокращение количества и проводимости тепловых мостов, повышение до определенного предела термического сопротивления строительных конструкций и др.

В заключение необходимо отметить, что использование прогрессивного опыта компании «Сен-Гобен Строительная Продукция РУС» в области повышения энергоэффективности зданий может способствовать решению проблемы энергосбережения в строительном комплексе России. Представляется, что европейский опыт в области энергосбережения интересен и для российской экономики.

Литература

1. Славинская Л. Мировой рынок нефти и газа. Состояние и перспективы // Нефтегазовая вертикаль.

2. Распоряжение Правительства РФ от 28 августа 2003 года № 1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

3. Воронин А. В. Опыт стран Евросоюза в области технического нормирования тепловой защиты зданий и сооружений // Технологии строительства. 2007. № 4.

4. Jean-Baptiste Rieunier. «Low energy houses in Europe multi-comfort house concept»: Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Эффективные тепло- и звукоизоляционные материалы в современном строительстве и ЖКХ».