Энергоэффективный подход к возведению высотных зданий

Сычев С.А. ©

К.т.н., докторант кафедры технологии строительного производства Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ПОДХОД К ВОЗВЕДЕНИЮ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация

Статья раскрывает вопросы проблем в области энергосбережения в зданиях и сооружениях, а также приводит рекомендации по повышению энергоэффективности, как отдельных элементов, так и всего здания в целом.

Ключевые слова: энергоэффективность здания, потери тепла, технологии строительства. Keywords: energy efficiency of buildings, heat loss building technology.

Здания с максимальным использованием выделяемой внутри них тепловой энергии и максимальной защитой от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию называют энергосберегающими, или энергоэкономическими. В них стремятся использовать технологии отопления, вентиляции, освещения, водоснабжения, канализации с минимальными затратами энергии на их функционирование. Для этого применяют возобновимые источники энергии (солнечную, ветровую и т.п.) и наряду с этим обращают внимание на сокращение потери тепла , повышение сопротивления теплопередачи наружу здания, что в комплексе с учетом местных климатических условий позволяет обеспечить хорошие условия регулирования теплообмена в здании и снизить энергозатраты.

Здания, конструктивно совмещенные с установками для утилизации возобновляемой энергии, называют энергоактивными. В них происходит максимальное совмещение несущих и технологических функций конструкций зданий и установок. Это позволяет не только сократить расход отторгаемой земли, строительных материалов, но и снизить длину коммуникаций. В России создан экспериментальный «активный» дом, проектное производство энергии которого отражено на рис. 1.

70

По предварительным расчетам первый "активный" дом в России должен будет производить излишки энергии примерно 9.4 кВтч/

60

50

40

30

20

Излишек

9.4

Запуск инженерного оборудования дома 6.7

Солнечные

панели

29.1

Бтовая техника

13.2

Г орячая вода 18.3

Солнечные

коллекторы

11.1

10

0

Геотермальный

насос

Отопление

15.0

22.4

Требуемая Производимая Излишек

энергия энергия энергии

>

Рис. 1.

Основные принципы проектирования энергетически эффективного дома» - это максимальное использование выделяемой внутри него тепловой энергии и максимальная

© Сычев С. А., 2014 г.

защита от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию, применение альтернативных источников энергии.

Следует заметить, что «для обогрева дома, который считается дешевым в эксплуатации, может понадобиться либо 70, либо всего лишь 15 кВт/(м2 год). Дома, отвечающие первому, более высокому, уровню расхода энергии, называются энергосберегающими, или энергоэффективными. Их разновидностью являются пассивные дома, уровень энергии которых не превышает 15 кВт/(м2 год).

В условиях климата с низкими отрицательными температурами, присущего большей части нашей страны, следует уделять внимание тому, насколько здание подвержено отдачи тепла.

С помощью объемно-планировочных решений, удается значительно снизить теплопотери. Отношение площади ограждающих конструкций к объему строения (так называемый «коэффициент подверженности» S/V) влияет на энергетическую эффективность здания. Чем меньше отношение площади ограждающих конструкций к объему, тем менее подвержено здание влияниям климата» (рис. 2).

Рис. 2.

Если сравнивать два дома, форма одного из которых - полусфера, а другого -параллелепипед, с размерами, указанными на рис. 3 и рис. 4 соответственно, то получим

4 JiR ^

следующие следующее. Объем сферы составляет V = —— = 268 м3, значит, объем купольного

134 м3), а площадь поверхности купольного дома - 100,5 м2. Следовательно, купольный дом потребует меньше затрат на обогрев (из-за снижения потерь на рассеяние тепла), как минимум

О

S/V = 2,5 S/V = 3,25 S/V = 4,13 S/V = 4,13

дома (полусфера) составит 134 м3. Таким образом, при почти одинаковом объеме (130 м3 против

20%.

Рис. 3.

2,60 I

Рис. 4.

Аналогичные сравнительные соотношения можно вывести для периметра здания и его площади при одинаковой высоте (рис. 5). Эти соотношения между периметром здания P и его площадью F говорят в пользу ширококорпусного дома, где поверхность ограждения меньше на 20%.»

2

4

1

F = 4, P = 10; P/F = 2,5

2

F = 4, P = 8; P/F = 2

P - периметр здания; F - площадь здания

Рис. 5.

Ширококорпусные дома (ШКД) представляют собой одну из последних отечественных разработок. Принципиальное их отличие от домов типовых серий, строившихся до сих пор, состоит в увеличении ширины корпуса дома до 18-20 м (теоретически до 23,6 м) с соблюдением всех норм естественной освещенности, инсоляции, воздухообмена.

Поскольку ШКД почти в 1,5 раза шире обычных домов отношение полезной жилой площади к площади наружных стен увеличивается. За счет этого тепловые потери снижаются на 20 - 40 %.

Значительная потеря тепла в зимний период происходит через оконное остекление. Проследив изменение количества теплопотерь в зависимости от варианта остекления и сравнив их характеристики, можно сделать вывод, что снижение энергозатрат можно добиться путем грамотного выбора остекления.

Энергопотребление зданий, как уже было сказано, можно снизить, за счет ориентации здания, что актуально для нашего климата особенно в зимний период. «Ориентируя основной фасад здания на южную сторону, получим дополнительную возможность обогрева здания за счет солнечной энергии в холодные месяцы года, что понизит стоимость обогрева. Южное направление так же увеличит использование светового дня, следовательно, снизится потребление в электрическом освещении в течение дня. Южная ориентация здания также может использоваться для получения солнечной энергии или нагревания воды для обогрева самого здания». На рис. 6 показан пример здания, в котором за счет правильной ориентации и двойного фасада, улучшается баланс тепловой энергии.

Несомненно, все выше перечисленные способы экономия энергии применяются и в пассивных домах. Однако, чтобы обеспечить столь жестко заданную требуемую величину удельного расхода теплового энергии на отопление, равную 15 Вт/(м2 год).

Все перечисленные выше факторы позволяют обеспечить хорошие условия регулирования теплообмена в здании, снизить энергозатраты и улучшить микроклимат

помещений. Однако, использование инноваций в области энергосбережения не достаточно, при создании энергоэффективного дома. Всегда присутствует человеческий фактор, негативно влияющий на конечный результат. Как следствие, возникают причины нерационального расходования тепловой энергии.

Одной из таких причин является низкое качество и неплотности сопряжений, окон, дверей, ограждающих конструкций.

При оценки теплопроводности теплоизоляционных материалов не учитывается наличие инфильтрации, в то время, как в зимний период холодный воздух проникает в помещения при инфильтрации через стены, стыки и неплотности окон. Проходя через толщу стены он вызывает снижение температуры ограждения и на его поверхности, а проникая в комнату, охлаждает внутри воздух и вызывает дополнительные потери теплоты. Фильтрация воздуха приводит к увеличению тепловых потерь через ограждения почти в 2 раза.

Другим слабым местом является сопряжение окон с наружными стенами. Здесь при косом дожде вода часто попадает в тело панелей, ухудшая их теплозащитные свойства и разрушая строительную конструкцию. Возможно попадание влаги в утеплитель и из-за некачественного выполнения стыков панелей, соединения мембран. Нередко вода в этих местах проникает и в жилые помещения. В результате термическое сопротивление стен в таких зданиях в 4 - 5 раз ниже нормативного.

Ухудшение теплозащитных свойств в холодную пору года ведет к образованию на внутренней поверхности конденсата и даже черной плесени, промерзанию панелей. Затраты на отопление таких зданий значительно увеличиваются.

С такими проблемами, в частности с появлением конденсата на внутренних поверхностях стен в местах стыков панелей, приходится сталкиваться как в зданиях постройки прошлых лет, так и в современной постройки. Это говорит о том, что стыковые соединения не удовлетворяют современным требованиям энергоэффективности ни с конструктивной точки зрения, ни, в первую очередь, с точки зрения качества выполнения работ.

Несовершенство нерегулируемых систем естественной вентиляции также является причиной нерационального использования энергии. «В зимний и, в общем случае, в любой другой период, в течение которого производится отопление помещений, энергия затрачивается, в том числе, на подогрев вентилируемого воздуха. Затраты на вентиляцию современных зданий при составлении энергетических паспортов оцениваются в 40-50 % всех затрат на отопление. При этом требуемый уровень воздухообмена необходим как в «холодных» домах, так и «теплых». Отсюда следует, что как бы мы ни утепляли здание, расходы тепла на вентиляцию, без использования специальных инженерных методов, уменьшаться от этого не будут, и чем теплее у здания будет «шуба», тем большими в относительном выражении будут затраты на вентиляцию».

Тепловизионный (с использованием инфракрасной съемки) контроль качества строительно-монтажных работ позволит навести порядок на строительных площадках, повысит ответственность строителей за выполнение «скрытых работ», даст информацию разработчикам и производителям строительных конструкций по совершенствованию конструкции и инженерного оборудования.

Таким образом, становится понятным, что рациональным и экономически целесообразным способом повышение энергоэффективным является только сочетание различных конструктивных и инженерных мероприятий, например увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий.

Литература

1. Тетиор А. Н. Архитектурно-строительная экология, Москва, 1994;

2. Самойлов В. С. Теплый дом, Москва, 2009;

3. Бадьин Г. М. Строительство и реконструкция малоэтажного энергоэффективного дома. - СПб.: БВХ-Петербург, 2011. - 432 с.