Для современной России значение Севера и Дальнего Востока определяется главным образом тем, что здесь добывается значительная часть природных богатств, обеспечивающих в сумме до 60 % экспорта страны. Этот экономически важный для Российской Федерации регион, где добывается больше 70 % всей нефти, 90 % естественного газа, заготавливается почти 40 % древесины, отличается исключительно суровым климатом.
Например, в Республике Саха (Якутия) средний отопительный период составляет, как правило, более 250 дней, а в некоторых районах доходит до 11-ти месяцев в году. На большей части северных территорий практически отсутствует сеть дорог, поэтому жизненно важное значение приобретает завоз топлива, когда за короткое лето надо доставить по рекам или морю запас топлива на весь год.
Во многих районах Дальнего Востока, например, возможность доставки грузов таким путем существует лишь три-четыре месяца в году, в остальное время — только авиацией. Конечно, в этих условиях стоимость энергии в разы выше, чем в центральных регионах, а вопрос энергосбережения приобретает особое значение.
Масштабы проблемы
Для начала — несколько цифр. Согласно действующим СНиП, расчетная температура (по средней температуре отопительного периода) для проектирования тепловой изоляции зданий в Москве составляет –3,1 °C, в Игарке –13,9 °C, а в Туре (Эвенкийский АО) –16,9 °C. Кроме того, важна такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода (определяется в зависимости от температуры и продолжительности отопительного периода).
Для Москвы этот показатель 4943 градусо-суток, а в эвенкийском поселке Ессей — 11532. То есть в два раза больше, чем в центральной части страны! Созданная в основном еще в советское время система теплоснабжения в настоящее время во многих местах находится в состоянии упадка. Износ тепловых сетей достиг в среднем 82 %. В целом потери топливноэнергетических ресурсов в цепочке «производство–передача–распределение тепловой энергии» оцениваются в 25–60 %.
В районах Севера все эти общие для системы ЖКХ проблемы значительно острее. В качестве примера рассмотрим Воркуту. Это типичный город российского Севера, его топливный баланс на 44 % состоит из привозного мазута, который является самым дорогим видом топлива для данного региона. И расходуется это топливо крайне неэффективно. Когда в 2009 г. этот город был выбран пилотной площадкой проекта «Энергоэффективный город», проведенный аудит выявил следующее. Воркута, как и большинство северных городов, вынуждена содержать избыточную инфраструктуру.
Инженерные сети Воркуты рассчитаны на обеспечение 300 тыс. жителей, но к началу 2010 г. в городе проживали около 80 тыс. человек. В некоторых домах пустует треть жилой площади, и все эти квартиры отапливаются. В результате объем установленной тепловой мощности на одного жителя превышал средний по стране уровень в 5,5 раза. Многие системы изношены.
Например, уровень «теплосъема» (разница температур входящей и обратной воды), характеризующий эффективность работы внутридомовых систем отопления, на момент обследования не превышал 5 °C, в то время как в 1990 г. был около 18–19 °C. Результатом всего этого являются высокие тарифы, которые власти вынуждены компенсировать за счет бюджета. Соответственно, у жителей нет и желания экономить энергию: по данным исследования, менее 10 % воркутинцев используют какие-либо способы экономии.
Аналогичная ситуация во многих других городах Севера России. Резюмируя все вышесказанное, можно заключить, что в условиях Севера существует не только огромная потребность в применении технологий энергосбережения, но и огромный потенциал для сокращения потребления энергии. Для сокращения затрат на завоз топлива в регионы Севера во всем мире применяют два способа: это энергосбережение на всех этапах — проектирование, строительство, эксплуатация зданий, и применение местных (обычно возобновляемых) источников энергии.
Сегодня так называемые «нетрадиционные источники энергии» занимают существенную долю в производстве энергии на Севере. Это прежде всего ветровые и термальные электростанции, применение которых в поселениях Севера, разбросанных на больших территориях, позволяет, помимо прочего, избавиться от строительства линий электропередач. Однако наиболее эффективным способом сокращения потребления топлива становится применение энергосберегающих технологий.
Мировой опыт и Россия
Сегодня огромной популярностью во всем мире пользуется концепция пассивного, или энергоэффективного, дома. Особенностью его является минимальное энергопотребление, всего лишь около 10 % энергии на единицу объема, расходуемой в большинстве зданий. И это не фантастика — первые «пассивные дома» начали строиться еще в 1980-х годах. Одним из ярких примеров такого дома является здание Института Скалистых Гор.
При строительстве штаб-квартиры Института Скалистых Гор (штат Колорадо, США) реализованы практически все имевшиеся в те годы достижения в области энергосберегающего строительства. Стены института каменные, с воздушной прослойкой, наружным слоем теплоизоляции толщиной 100 мм и фольги (прототип современного навесного фасада). Для остекления использованы заполненные аргоном стеклопакеты со специальным теплоотражающим слоем.
Теплоизоляция, герметизация и тепловая инерция здания оказались настолько высоки, что отапливать его не потребовалось даже в 40-градусные морозы. В обычные же зимы от 30 % избыточного тепла, поступающего от внутренних источников и солнца, приходится избавляться с помощью вентиляции! С тех пор технологии энергосберегающего строительства значительно усовершенствовались. Образцом современных технологий в этом отношении является здание исследовательского Центра компании Rockwool в городе Хедехусен (Дания).
Эта компания, один из крупнейших в мире производителей каменной ваты, продемонстрировала преимущества собственных технологий энергосберегающего строительства. Здание было построено в 2000 г., проект ставил целью сократить расходы на потребление энергии по сравнению с действующими тогда нормативами почти в четыре раза. Это достигалось путем внедрения эффективной изоляции, применением трехслойных окон и новых разработок в области вентиляции.
Здание было ориентировано так, чтобы большие окна располагались с южной стороны. Толщина каменной ваты по всей теплоизолирующей оболочке здания составляла 25–50 см. Исследовательская работа в нЦентре началась во время строительства, что позволило внедрить ряд технических решений, усовершенствовав проект. В процессе строительства были выявлены и ликвидированы так называемые «мостики холода», которые увеличивали энергопотребление.
Доработана теплоизоляция фундамента. Изменена конструкция оконных переплетов. Вентиляцией в Центре сегодня управляет компьютер («интеллектуальная система вентиляции»). Но самое главное — в результате появились рекомендации, на основании которых сегодня строят энергоэффективные дома, позволяющие решать многие вопросы еще на стадии проекта. Построенный Центр получил звание «Офис года’2000» и был признан одним из самых энергоэффективных офисов в мире.
Сейчас примененные там технологии стали массовыми на Западе. Например, в Великобритании все новые дома к 2016 г. планируют строить «с нулевыми выбросами CO2». Этот термин означает, что дом сам обеспечивает себя энергией из возобновляемых источников, включая расходы на отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию, освещение и все прочие потребности! Критериями отнесения дома к пассивным в Европе являются: удельный расход тепловой энергии на отопление, не превышающий 15 кВт⋅ч/м2 в год, и общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд не более 120 кВт⋅ч/м2 в год.
Еще один интересный энергоэффективный дом недавно построен в Подмосковье. Green Balance — так он называется — спроектирован таким образом, чтобы электричество и отопление в нем использовались минимально. Потребление энергии на отопление дома Green Balance составляет всего 63 кВт⋅ч/м2 в год, что на 60 % меньше нормативного! В целом, отношение площади ограждающих конструкций к полезной площади меньше, чем в традиционных домах, таким образом, достигнуто уменьшение площади поверхности ограждающих конструкций, с которых уходит тепло.
Теплоизоляции здесь вообще уделено самое пристальное внимание: все конструкции дома качественно утеплены, при этом акцент был сделан на ликвидацию «мостиков холода». Пол первого этажа заглублен на 1,5 м и утеплен плитами «Флор Баттс», а стены, соприкасающиеся с грунтом, выполнены из кирпича и утеплены плитами «Венти Баттс» от Rockwool.
До мелочей продумана и звукоизоляция здания: межэтажные перекрытия и межкомнатные перегородки изолированы плитами Rockwool «Акустик Баттс», а жилые помещения оборудованы подвесными потолками с акустическими потолочными панелями Rockfon. Уникально и то, что в доме Green Balance площадь остекления составляет 40 % от общей площади, в то время как в стандартном здании эта цифра колеблется от 18 до 20 %.
Большая часть окон ориентирована на юг. Проникая через окна, солнечная энергия поглощается поверхностями, находящимися внутри теплоизолированной оболочки дома, таким образом достигается максимальное использование солнечного света для отопления. К тому же естественное освещение позволяет дополнительно минимизировать потребление энергии в дневное время. Применение технологии «пассивного дома» в массовом строительстве стало возможным с появлением на рынке недорогих эффективных теплоизоляционных материалов.
При подборе утеплителя, кроме коэффициента теплопроводности, учитывают его пожаробезопасность и срок службы. Кроме того, теплоизоляционный материал должен быть гидрофобизированным, обладать высокой паропроницаемостью и не давать со временем усадки в конструкциях. По сумме этих показателей стоит отметить, например, каменную вату, активно применяемую сегодня и в России. Этот материал производят из горных пород базальтовой группы. Каменная вата обладает высокими теплои звукоизоляционными характеристиками, стойкостью к нагрузкам и долговечностью.
Она, в отличие от некоторых других утеплителей, не выделяет вредных веществ в случае пожара. Можно отметить, что именно каменная вата компании Rockwool стала первой в России теплоизоляцией, получившей, кроме всех обязательных сертификатов, знак экологической безопасности ЕсоMaterial Green. Она без ограничений может использоваться в зданиях любого назначения, в т.ч. детских садах и школах, а также для утепления спален и детских комнат.
Одинарное остекление оконных проемов практически вышло из употребления во многих странах. В США продажа оконных блоков с двойным остеклением составляет 50 %, с тройным — почти 20 %. Более того, сейчас входят в употребление окна нового типа: стеклопакеты с четырьмя стеклами и теплоотражающей пленкой. И это в стране, где на большей части территории климат отнюдь не северный.
Но и там, по подсчетам Министерства энергетики США, применение стеклопакетов с теплоотражающим напылением позволяет экономить до 50 л сырой нефти в год на каждый квадратный метр остекления. Герметичность сооружения важна для исключения теплопотерь. Представляет интерес использование интегрального показателя, применяющегося в Финляндии, — величины воздушной утечки.
Например, коттеджи, сооруженные в соответствии с инструкцией по сборке, должны иметь нормативный показатель воздушной утечки не более 4 л/ч. Реальные показатели могут достигать 0,6– 0,8 л/ч. Сокращение воздушной утечки на одну единицу означает около 7 % снижения потребности в отопительной энергии. Существует и возможность сэкономить на «бытовом» уровне. Например, практика показывает, что энергоэкономичные бытовые приборы сберегают большую часть энергии, требуемой для их работы. Рассмотрим более подробно практику и перспективы применения накопленного опыта в условиях российского Севера.
Технологии для Севера
Система энергосбережения в условиях Севера складывается из нескольких элементов. Это планировочные решения, снижающие тепловыделения от здания, эффективная теплоизоляция стен, крыш и полов, тепловых сетей, снижение теплопотерь через окна, рекуперация «отходов» тепла (в частности, в вентиляции), использование энергосберегающей техники и освещения, наконец — постоянный контроль потребления всех видов энергии.
Рассмотрим все эти способы подробнее. В России накоплен большой опыт планировки северных городов. Например, в Норильске для борьбы с ветром кварталы строили компактно: замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами. Благодаря этому скорость ветра в жилой застройке существенно снижалась. Для профилактики снежных заносов фасады и крыши домов делают ровными, с простыми профилями.
При проектировании зданий для условий сильных ветров основное требование к ним — максимальное снижение инфильтрации через наветренные ограждающие конструкции. Для этого предусматривается, в частности, вынос на наветренную сторону лестничных клеток, кухонь и т.п. При южных ветрах помещения, выходящие на юг, желательно прикрывать остекленными лоджиями. Чтобы обеспечить низкое потребление энергии в северных регионах, необходима теплоизоляция с коэффициентом теплопроводности не выше чем 0,04–0,07 Вт/ (м2⋅К) в стенах, крышах и полах.
В частности, на этом основаны применяемые в России решения цокольно-фундаментной части каркасных зданий для строительства в условиях вечной мерзлоты. Строить дом на грунте, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно. Здания нагревают мерзлый грунт, и он теряет монолитность. Сегодня на Севере применяются два варианта возведения фундаментов: традиционный — на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием для вентиляции мерзлой поверхности, и непосредственно на грунте.
В последнем случае необходима очень качественная теплоизоляция, которая позволит предотвратить оттаивание. Что касается теплоизоляции стен, то наилучшим решением во многих случаях является сэндвич-панель. Принцип сэндвич-технологии был описан еще в 1950-х годах, однако активное применение сэндвич-панелей в строительстве в России началось лет через 30. Первые образцы панелей оказались неудачными из-за плохой герметизации швов, что приводило к большим теплопотерям.
Появление в России изделий, в которых в качестве утеплителя используется плита из каменной ваты, позволило эффективно решить проблему сохранения тепла. Производство в России панелей по западным технологиям с принятыми за рубежом классами точности (и соответствующих нормативам для нашего климата) сделало этот материал оптимальным выбором для строительства в районах с суровым климатом. В настоящее время индустриальными методами возводится подавляющая часть городов и поселков Сибири и Дальнего Востока.
Для стеновых изделий важным показателем является соотношение теплотехнических характеристик с ценой и качеством. Сэндвичпанели имеют оптимальное сочетание этих трех показателей. Зарубежный опыт показывает, что многослойные панели (как стеновые, так и кровельные) с эффективным теплоизоляционным материалом — лучший метод утепления зданий.
Каждый слой сэндвич-панелей выполняет свою функцию: конструкционную, теплозащитную, пароизоляционную, декоративную; и такое распределение функций между несколькими материалами, способными выполнить их наилучшим образом, позволяет получить оптимальный результат. Сегодня на рынке представлено большое количество как готовых панелей, так и утеплителей, специально предназначенных для их производства.
Например, компанией Rockwool именно для таких конструкций предлагаются плиты «Сэндвич Баттс С», теплопроводность которых составляет всего 0,040 Вт/(м2⋅К). Для кровельных панелей также существуют специальные плиты — «Сэндвич Баттс К». Важным элементом является теплоизоляция не только фундаментов, стен и кровли, но и светопрозрачных конструкций.
В условиях Севера компромисс между необходимостью снизить теплопотери через окна и возможностью получить дополнительную бесплатную энергию от солнечных лучей при большой площади остекления может быть решен кардинально. Дорогое топливо и электроэнергия делают экономически рентабельным применение, например, новых технологий активной теплозащиты зданий с использованием вакуумной теплоизоляции.
Эти технологии позволяют увеличить поступление солнечной тепловой энергии в зданиях до 500 кВт⋅ч/м2 в год и снизить потери энергии в зданиях на 25 %. Такие конструкции, как и конструкции оконных блоков с заполнением инертными газами, находят сегодня широкое применение в практике строительства на российском Севере. В частности, специальная программа по внедрению энергосберегающих окон действует в Красноярске.
Проблема коммуникаций в условиях вечной мерзлоты — это проблема эффективной теплоизоляции. В небольших северных поселках их прокладывают поверху, а в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м. Трубы прокладывают на расстоянии от домов, чтобы уберечь от тепла мерзлые грунты. Однако это лишь способы снижения опасности оттаивания грунта, нас же интересует возможность снижения теплопотерь и соответствующей экономии энергоресурсов.
Для этого применяют специальные готовые «скорлупы» — теплоизоляцию из каменной ваты, либо используют трубы заводской изоляции, при укладке изолируя только стыки. Такой подход позволяет сэкономить значительную часть тех 40 % от общих потерь тепловой энергии, которые в обычных условиях приходятся на теплоцентрали. Еще один способ снижения потерь в сетях — учет и регулирование потребления тепла.
В качестве одного из примеров тут может быть указана Воркута, которая должна стать первым городом в России, где применяется Smart Metering («умный учет») в теплоснабжении. Первоначально эта система будет установлена в 30-ти зданиях. Как снятие показаний приборов учета, так и регулирование объема потребления тепла будут проводиться дистанционно. За счет этого возможно получить от 10 до 15 % экономии энергоресурсов.
В случае успеха этой системой будут оснащены еще 100 многоквартирных зданий. Поскольку необходимость эффективной теплоизоляции требует устранения всех щелей, через которые идет естественный воздухообмен, на Севере крайне важна организация принудительной приточно-вытяжной вентиляции. При отсутствии такой вентиляции в комнатах снижается содержание кислорода, возрастает концентрация углекислоты и радона, увеличивается содержание различных микроорганизмов, возрастает влажность.
Все это ведет к повышенной утомляемости, головным болям, респираторным заболеваниям и некоторым другим специфическим симптомам, которые в сумме именуются «синдром больного здания». Поэтому герметизация помещений невозможна без вентиляции, а она требует затрат как электрической, так и тепловой энергии. Весьма эффективным способом снижения расходов на отопление стало внедрение вентиляционных систем с рекуперацией тепла. В таких системах тепло забирается от удаляемого из помещения воздуха и передается нагнетаемому в помещение.
При этом воздушные потоки максимально отделены друг от друга, чтобы исключить их смешивание. Коэффициент эффективности рекуперации характеризуется соотношением между максимальным количеством тепла, которое возможно получить от удаляемого воздуха, и реально полученным. Эффективность рекуператоров составляет 30–90 %. Сегодня применяются пять основных видов рекуператоров: роторный, пластинчатый, рекуператор с промежуточным теплоносителем, камерный рекуператор и тепловые трубки.
Разумеется, остаются актуальными и другие способы снижения потребления энергии: в частности, снижение удельного потребления электроэнергии различными приборами. В том числе большую экономию может дать применение светодиодных ламп. Последние, кроме того, дают возможность легко регулировать освещенность. В России накоплен уникальный опыт строительства и эксплуатации зданий в условиях Крайнего Севера и Дальнего Востока.
В сочетании с передовыми западными технологиями он позволяет сделать проживание в этих регионах безопасным и комфортным и существенно сократить расход энергоресурсов.
