Снизить энергопотребление

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. Скорость текущих изменений беспрецедентна. Углекислый газ, выделяемый при сгорании ископаемого топлива и кислорода, изменяет состав нашей атмосферы. Кроме всего прочего, неконтролируемое использование ископаемой энергии ведёт к драматическому истощению мировых запасов ископаемых энергоносителей.

Малейшая экономия энергии, особенно в густозаселённых местах, ведёт к снижению объёма выброса загрязняющих веществ и, следовательно, помогает защитить окружающую среду.

Единственная область, где можно резко снизить объёмы потребляемого топлива и, как следствие, расход энергии и объёмы выбросов, — существующие и новые здания. Для этого необходимо улучшить теплоизоляцию и установить более эффективные отопительные системы. Для снижения выбросов CO2 и защиты окружающей среды в будущем нам придётся обходиться намного меньшим количеством энергии для отопления, чем мы использовали до сих пор. В то время как существующие неусовершенствованные здания старой постройки расходуют на отопление от 200 до 400 кВт·ч/(м²·год) энергии, потребность в отопительной энергии для пассивных зданий будущего поколения должна составлять от 20 до 40 кВт·ч/(м²·год). Как следствие, основная характеристика зданий будущего — это ультранизкое и даже нулевое потребление энергии. Такая задача успешно решается в развитых странах мира не одно десятилетие, а нам, несмотря на глубокое её понимание, предстоит долгий путь перехода от существующих зданий к зданиям с нулевым потреблением энергии.

Утверждённая постановлением Совета Министров Беларуси от 21 апреля 2016 года №325 Государственная программа «Строительство жилья» на 2016–2020 годы планирует возведение к 2020 году всех многоквартирных домов в «энергоэффективном формате».

К 31 декабря 2020 года все строящиеся здания в Европейском союзе должны будут соответствовать показателям зданий с минимальным или нулевым потреблением энергии. Усиливается значение и повышается качество как энергетических сертификатов зданий (энергетический паспорт), так и контроля показателей инженерных систем зданий.

Исследования, выполненные практически во всех странах Западной Европы, доказывают, что ощутимые результаты, вплоть до двукратного снижения расходов теплоты на отопление, даёт только комплекс составляющих энергосбережения, как то:

  • повышение теплозащиты ограждающих конструкций;
  • модернизация систем отопления с применением оборудования учёта теплопотребления зданием и особенно каждой квартирой;
  • экономическое стимулирование населения при организации поквартирного учёта с оплатой конкретных расходов тепловой энергии.

В существующем жилом фонде Беларуси имеются практически нереализуемые огромные резервы экономии тепловой энергии (топлива), расходуемой на теплоснабжение зданий, за счёт утепления наружных ограждений и внедрения эффективных решений по автоматическому регулированию систем отопления и горячего водоснабжения.

Начиная с 2010 года в публикациях и докладах на конференциях на основании показателей экономии теплоты в отапливаемых зданиях при увеличении сметной стоимости системы отопления всего лишь на 1,5–2,0 % мы неоднократно доказывали значимость реализации двух последних составляющих приведённого комплекса мероприятий энергосбережения. К сожалению, даже после развёрнутой публикации в «Республиканской строительной газете» №19(472) 19 мая 2012 года о необходимости внедрения индивидуальных регулирования и учёта теплопотребления, которые снижают расходы энергии на отопление зданий (до 30–40 %), не последовало практически никаких изменений в строительстве, и особенно в капитальном ремонте отапливаемых зданий. При этом в каждой статье не отрицалось, а наоборот, на основании опубликованных данных [1] подчёркивалось, что в источниках энергосбережения значимость теплозащиты ограждений составляет 52 %.

 

Достичь повышенной теплозащиты

Попытаемся проанализировать, как в Беларуси с 1994 года реально выполнялось и до настоящего времени реализуется обеспечение повышенной теплозащиты наружных ограждений отапливаемых, главным образом жилых и общественных, зданий. С 1 января 1994 года решением Госстроя РБ регламентировано, что все вновь строящиеся здания должны иметь наружные ограждающие конструкции повышенной теплозащиты в соответствии с положениями СНБ 2.01.01–93 «Строительная теплотехника», которые предусматривали необходимость определения значений сопротивления теплопередаче для обеспечения требований трёх вариантов эксплуатации.

Сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций Rт, за исключением заполнений проёмов и ограждающих конструкций помещений с избытками явной теплоты, следовало принимать равным экономически целесообразному Rт.эк, определяемому по формуле (1), исходя из удовлетворения санитарно-гигиенических требований, но не менее требуемого сопротивления теплопередаче Rт.тр, определяемого по формуле (2), и не менее нормативного сопротивления теплопередаче Rт.норм, приведённого в табл. 1. Эти же требования содержались в СНБ 2.04.01–97, а также и в утверждённом и введённом в действие приказом министра архитектуры и строительства Республики Беларусь от 29 декабря 2006 года №374 ТКП 2.04-43, с отменой указанных СНБ.

Экономически целесообразное сопротивление теплопередаче Rт.эк [м²·°C/Вт] следовало определять на основе выбора толщины теплоизоляционного слоя, обеспечивающего минимальные приведённые затраты на отопление и строительство:

где Rт.тр — требуемое сопротивление теплопередаче [м²·°C/Вт], определяемое из условий обеспечения минимально допустимой температуры поверхности наружного ограждения (санитарно-гигиенические требования);

здесь tв — расчётная температура внутреннего воздуха, °C; tн — расчётная зимняя температура наружного воздуха [°C], принимаемая с учётом тепловой инерции ограждающих конструкций D; n — коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху; αв — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·°C); Δtв — расчётный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, °C; Ст.э — стоимость тепловой энергии, руб/ГДж, принимаемая по действующим ценам в период проектирования; zо.т — продолжительность отопительного периода, сут.; tн.от — средняя за отопительный период температура наружного воздуха, °C; См — стоимость материала однослойной или теплоизоляционного слоя многослойной ограждающей конструкции [руб/м³], принимаемая по действующим ценам; λ — коэффициент теплопроводности [Вт/(м²·°C)] материала однослойной или теплоизоляционного слоя многослойной ограждающей конструкции в условиях эксплуатации в зависимости от расчётных температуры и влажности воздуха помещений, с учётом выноса градуса в верхний индекс.

И, наконец, минимально допустимое сопротивление теплопередаче приводилось в таблице в зависимости от характера работ (строительство, реконструкция, модернизация или ремонт). Табл. 1 иллюстрирует минимальные требования к теплозащите при строительстве, реконструкции и модернизации.

Реальные условия проектирования, а также общий уровень специалистов, особенно конструкторов, привели к тому, что вместо расчётов принимались минимальные табличные показатели теплозащиты ограждений. Этому способствовало и то, что тарифы на тепловую энергию изменялись несколько раз за период проектирования объекта, а также позиция Госстройэкспертизы, но главное — общепринятое стремление к минимизации единовременных затрат без учёта эксплуатационных расходов. Как следствие, несколькими изменениями ТКП 2.04-43 сейчас нормируется значение требуемых сопротивлений теплопередаче наружных ограждающих конструкций, исходя из назначения здания и вида выполняемых работ (табл. 2).

При этом для покрытий тёплых чердаков и перекрытий над неотапливаемыми подвалами и техническими подпольями требуется расчёт, исходя из удовлетворения санитарно-гигиенических требований по формуле (2). Окончательно изложенные показатели введены с 1 июля 2010 года. Тем не менее Республика Беларусь, первой из государств бывшего СССР введя с 1 января 1994 года новые, повышенные показатели теплозащиты, существенно отстала не только от развитых стран мира, но и от России, что подтверждается табл. 3.

Таким образом, практически свыше 10 лет в Беларуси наблюдается существенный перерасход топливно-энергетических ресурсов. Кроме того, приходится повторять, что приведённые нормативные показатели теплозащиты являются минимальными, а многие проектировщики принимают их максимальными, что недопустимо. Это подтверждается тем, что, по данным Министерства архитектуры и строительства РБ [2], в тепловом балансе отапливаемых зданий 78 % энергопотерь приходится на охлаждаемые наружные ограждения (рис. 1).

Как следствие, в энергосберегающих зданиях, где принята повышенная теплозащита ограждений в зависимости от расположения, существенное внимание обращается на обеспечение нормируемого воздухообмена с утилизацией теплоты Рис. 1. Составляющие теплопотерь отапливаемых зданий удаляемого воздуха.

 

Нужен творческий подход

Особое внимание следует обратить на важность творческого подхода к конструированию ограждающих конструкций в связи с необходимостью выполнения требований Технического кодекса установившейся практики (ТКП) 45-2.04196–2010 «Тепловая защита зданий. Теплоэнергетические характеристики. Правила определения». Данный кодекс впервые ввёл, а затем скорректировал изменением №2 значения удельных расходов тепловой энергии в зависимости от района строительства и этажности здания (табл. 4).

Проектировщик имеет возможность, как это принято в ведущих проектных институтах Беларуси и проектных студиях развитых стран, разрабатывать конструкции с учётом количества наружных ограждений и минимальных приведённых затрат.

Первым этапом подхода к разделению зданий по энергетической эффективности является введённая изменением №3 ТКП 45-2.04-196–2010 «Тепловая защита зданий. Теплоэнергетические характеристики. Правила определения» классификация жилых зданий по показателям удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию (табл. 5).

Таким образом, наступил период разработки конструктивных элементов зданий нового строительства, обеспечивающий, наконец, оптимизацию энергосбережения отапливаемых объектов. Однако следует обратить особое внимание на реконструируемые и модернизируемые здания. В 2011 году для создания единой методической основы по определению необходимости проведения тепловой модернизации эксплуатируемых жилых домов и критериев необходимости и установления очерёдности проведения тепловой модернизации эксплуатируемого жилищного фонда подготовлены утверждённые министерствами архитектуры и строительства и жилищно-коммунального хозяйства методические указания.

Кроме общих положений, регламентируются ещё и следующие:

  • определение общего усреднённого расчётного коэффициента теплопередачи здания;
  • инструментальное определение общего эксплуатационного коэффициента теплопередачи здания;
  • методика определения порядка необходимости и установления очерёдности проведения тепловой модернизации жилых домов.

Возникает необходимость трудоёмких для неспециалиста аналитических и экспериментальных работ со значительной вероятностью ошибок. Вместо этого проще и достовернее сопоставить результаты показаний теплосчётчиков за отопительный период в каждом здании. Кроме того, наибольшим потреблением тепловой энергии характеризуются дома из трёхслойных стеновых панелей с греющими элементами во внутреннем слое, которые требуют тепловой модернизации в первую очередь. При утеплении стеновых панелей снаружи закрывается стыковое соединение, ликвидируется инфильтрация в отапливаемые помещения холодного воздуха и необходимость его нагрева.

Серьёзные отклонения от нормативных требований наблюдаются в зданиях постройки 1950–1960-х годов прошлого века со стенами толщиной полторы красного и облицовкой половина силикатного кирпича без наружной штукатурки. В результате реальное сопротивление теплопередаче вместо требуемого значения 1,0 м²·ч·°C составляло 0,75. В таких домах основным недостатком считалась сырость в наружных углах, на откосах светопроёмов и подобных элементах. На повышенные теплопотери никто внимания не обращал, а сейчас такие здания характеризуются значительными суммами оплаты тепловой энергии, что недопустимо для социально ориентированного государства.

Именно поэтому снижение теплопотерь отапливаемых зданий, эксплуатируемых 30 лет и более, является важнейшим мероприятием для решения государственной задачи существенного снижения расходов топливно-энергетических ресурсов. Между тем, в системе жилищно-коммунального хозяйства превалируют только показатели отдельных составляющих сметной стоимости при капитальном ремонте зданий, приведённые в белорусском аналитическом журнале для практиков строительного дела «Мастерская. Современное строительство» (рис. 2).

При этом никогда не обосновывалась необходимость полной замены инженерных систем здания, а не выборочной. Так, при нормальной эксплуатации систем отопления (ежегодная промывка, обеспечение постоянной наполненности водой, контроль утечек и т.п.) и тепловой сети расходы могут быть существенно снижены. Также актуальна и оптимизация процессов утепления, особенно грамотная организация работ. Тем не менее в настоящее время принято решение об обязательном утеплении за счёт бюджетных средств только мест, где имеются сырость и плесень на внутренней поверхности ограждений. Тепловая модернизация остальной части здания — за счёт средств жильцов, которые не могут платить из-за ограниченных финансовых возможностей, а часто из-за непонимания важности этого мероприятия.

Нам неизвестны примеры экономических расчётов, сравнивающих выгоду от снижения единовременных затрат на модернизацию здания и долговременных государственных — на эксплуатацию с обеспечением компенсации теплопотерь. Но и так понятно, что для государства экономия расходов на импортируемые энергоносители в течение многих лет многократно превышает единовременную экономию средств от снижения сметной стоимости при ограничениях мер по энергосбережению.

 

Новый уровень исследования

В последние десятилетия произошли изменения, заставляющие вернуться к исследованию этой проблемы на новом уровне. Во-первых, резкое повышение нормативных требований к сопротивлению теплопередаче стен в корне изменило их конструктивные решения. Практически невозможно спроектировать наружную ограждающую конструкцию без использования эффективных теплоизоляционных материалов.

Так как с точки зрения теплофизики теплоизоляционный слой в конструкции необходимо размещать у наружной поверхности, предотвращая его увлажнение, массовое применение нашли конструкции именно с таким расположением теплоизоляционного слоя и вентилируемой воздушной прослойкой, неграмотно названные «вентилируемый фасад». Реальные проблемы эксплуатации, особенности применения, характеристики и требования к таким конструктивным решениям подробно изложены в [3].

Особое внимание следует обратить на режим работы элементов крепления утеплителя к конструктивным слоям (подоснове ограждения). Даже для качественного выполнения работ отсутствуют данные о долговечности такой системы утепления, которая должна быть соизмерима со сроком службы здания. Отсутствуют методики комплексных расчётов конструкций с учётом ветровых нагрузок для высотных зданий. Широко применяемые детали крепежа из пластмасс и алюминиевых сплавов имеют ряд недочётов:

  • по данным ЦНИИСК им. Кучеренко, температура дымовых газов, поступающих в вентилируемую прослойку при пожаре, достигает 730 °C, а пределы текучести алюминиевых сплавов 630 °C и значительно меньше для пластмасс;
  • теплопроводность элементов из алюминиевых сплавов в четыре раза выше, чем для нержавеющей стали, и поэтому требуется увеличение толщины утепляющего слоя конструкции с её удорожанием.

Процесс теплопередачи в таких конструкциях трёхмерен, так как распределение температур в них определяется потоками теплоты не только перпендикулярно, но и вдоль плоскости стены.

Поэтому для выявления оптимальных вариантов конструктивных решений следует решать задачу обеспечения нормируемых значений сопротивления теплопередаче утеплённых стен с вентилируемыми воздушными прослойками с учётом влияния крепёжных элементов из пластмассы, алюминия или стали на основании определения коэффициентов однородности. Такие решения основаны на расчётах трёхмерных температурных полей, которые сложны и ограничены на практике. Как следствие, применяют типовые конструктивные решения, которые характеризуются повышенными теплопотерями.

Во-вторых, весьма распространены материалы, применяемые в качестве наружной теплоизоляции, — волокнистые, а они обладают высокой воздухопроницаемостью.

Современные технологии позволяют получать и промышленно производить волокнистые минераловатные материалы с весьма малой плотностью, применение которых экономически выгодно. Ведь чем меньше плотность минеральной ваты, тем выше её воздухопроницаемость. Поток воздуха усиливает конвективную составляющую теплообмена и, хотя точной зависимости между влиянием этого на общий теплообмен в настоящее время не установлено, расходы теплоты должны увеличиваться. Тем не менее возникли новые вопросы при проектировании ограждающих конструкций, в том числе и связанные с фильтрацией воздуха. Среди этих вопросов можно выделить следующие, относящиеся к конструкциям систем утепления с вентилируемыми воздушными прослойками:

  • какое влияние оказывает продольная фильтрация воздуха в теплоизоляционном слое на характеристики теплозащиты стены?
  • каковы характеристики воздухопроницаемости современной минеральной ваты и как они влияют на продольную фильтрацию?
  • в какой степени облицовка вентилируемой прослойки оказывает влияние на интенсивность продольной фильтрации в теплоизоляционном слое?
  • как именно архитектурное решение здания, в частности, его конфигурация и высота, влияет на продольную фильтрацию в теплоизоляционном слое стены и, соответственно, на теплозащитные показатели?

 

Что будет востребовано?

В этой статье мы не анализируем конкретные решения конструкций заполнений светопроёмов, но эти вопросы являются важнейшими в разработке зданий с минимальными расходами топливно-энергетических ресурсов. Не являясь специалистами конструирования и определения характеристик и показателей заполнений светопроёмов, ограничимся перечислением современных видов материалов и стеклопакетов, находящихся в различных стадиях внедрения в массовое производство развитых стран мира, тем, что будет востребовано в самое ближайшее время. Это особенно актуально, если вспомнить, что удельные теплопотери через окна и балконные двери в два и более раз выше, чем через стены. Перечислим эти перспективные решения:

1. Электрохромные стекла, получаемые с помощью напыления в магнетронных установках. При подаче на стекла напряжения 2–10 В они изменяют светопропускание и пропускание тепловой части солнечной энергии от 100 до 4 %. Эти стекла чрезвычайно эффективны в зданиях с развитым остеклением, где установлены системы кондиционирования воздуха.

2. Греющиеся стекла, используемые в ряде стран, где устойчивый снежный покров наблюдается длительное время, для очищения от снега и наледи стеклянных покрытий большой площади.

3. Стекла с наливными теплоотражающими покрытиями, которые могли бы быть распылены на светопрозрачные конструкции в нормальной среде (например, на уже установленные в квартирах окна) с помощью элементарных устройств типа распылителей. После окончания обработки такое стекло будет иметь повышенные теплозащитные свойства. Для нашей страны эта проблема очень актуальна потому, что огромное количество неэффективных окон можно усовершенствовать без их замены.

4. Вакуумные стеклопакеты, в которых два листа плоского стекла, имеющие теплоотражающее покрытие, соединены через узкие — примерно 0,2 мм — рамки. По всему полю стеклопакета между стёклами устанавливаются проставки с низкой теплопроводностью. Пространство между стёклами вакуумировано. Преимущество таких пакетов в том, что они практически исключают конвективную составляющую теплопотерь за счёт вакуумирования, а лучистая составляющая снижена за счёт использования теплоотражающих стёкол. Именно такие стеклопакеты использованы в первом в Беларуси энергоэффективном доме, и на этом основании нормативное сопротивление теплопередаче заполнения световых проёмов принято не ниже R = 1,0 м²·°C/Вт.

5. Стеклопакеты с тепловым зеркалом. Конструктивно они представляют собой двухкамерный стеклопакет, в котором среднее стекло заменено на теплоотражающую спектрально-селективную полимерную плёнку. Сопротивление теплопередаче стеклопакетов с тепловым зеркалом может достигать значения R = 1,2 м²·°C/Вт.

6. Композитные профили, активная разработка которых началась из необычных материалов, используемых для изготовления окон. Как правило, это материалы, которые могут быть экструдированы. За последние годы они освоены из-за удобства таких профилей. Существенно, что в качестве материалов для изготовления профилей очень часто используются отходы различных производств, в частности опилки, стружки и др. Такой материал создан. Он получил название «файбротек» и содержит около 40 % опилок, около 60 % ПВХ и ряд специальных добавок. Он может экструдироваться на обычных экструдерах для производства ПВХ-профиля для окон, свариваться на обычных сварочных машинах. Его теплотехнические характеристики приближаются к характеристикам дерева. Он так же, как и обычные ПВХ-профили, ламинируется различными цветными плёнками. Преимущества «файбротека» понятны: он дешевле ПВХ, технологичен, помогает решать проблемы утилизации материалов. Кроме этого, для изготовления профилей используются отходы угольной, бумажной промышленностей, другие переработанные материалы. Получаются оригинальные комбинации: алюминий-сталь, ПВХ-алюминий, смолы-алюминий и т.д.

Таким образом, методы, способы и основные инженерные решения, позволяющие существенно снизить энергопотребление строительных объектов пассивными методами, хорошо известны. В комплексе с автоматизацией работы систем теплоснабжения зданий, индивидуальным учётом и оплатой энергопотребления можно оперативно приблизиться к показателям энергоэффективности развитых стран мира. Этого можно достичь только при желании первых лиц государства наметить курс для руководителей стройкомплекса и жилищно-коммунального хозяйства на снижение расходов на импортируемые энергоносители вместо экономии средств на возведение и модернизацию отапливаемых зданий.