Строительство энергоэффективных зданий в настоящее время, широко осуществляется во всем мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и Скандинавии. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50-70%. Столь существенная экономия позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.
Началом новейшей истории энергоэффективного домостроения является энергетический кризис 1973 – 1974 годов, когда Арабские страны за поддержку агрессии Израиля против них, объявили нефтяное эмбарго западу, а затем на порядок подняли цены на нефть. Западные страны ответили многочисленными проектами по энергосбережению, в том числе, и в сфере строительства и эксплуатации зданий. Так специалисты Международной энергетической конференции ООН (МИРЭК) заявили о том, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности формирования их теплового режима, а проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла и массы в ограждениях и здании. В докладе специалистов МИРЭК была сформулирована главная идея экономии энергии: энергоресурсы могут быть использованы более эффективно путем применения мер, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения, т. е. использованы с минимумом изменений привычного образа жизни.
Поначалу специалисты говорили об экономии энергии, затем перешли к понятию энергоэффективности. Последнее, означает экономию энергии без снижения качества услуги, оказываемой с ее использованием.
С тех пор на Западе пройден длинный и успешный путь энергосбережения, в частности, в области строительства. Результаты, достигнутые на практике в повышении энергетической эффективности зданий, столь впечатляющи, что позволяют говорить о революционных изменениях в домостроении. В связи с этим, по прошествии времени специалисты стали оценивать энергетические кризисы семидесятых годов как горькое, но чрезвычайно полезное лекарство для всей экономики Запада.
Поскольку львиную долю, до 80 – 90%, в энергопотреблении домов расположенных в умеренном или холодном климате составляет тепловая энергия, на ее экономию и были направлены в первую очередь усилия разработчиков.
Как известно, здание в холодный период года теряет тепловую энергию по трем основным каналам:
В зданиях традиционной конструкции, потери тепла по этим каналам имеют один порядок, или в грубом приближении составляют по одной трети . Обычно мероприятия по снижению теплопотребления здания проводятся в этой же последовательности: сначала утепляют стены и крышу, затем меняют окна на более совершенные и в последнюю очередь устрамвают систему вентиляции с рекуперацией тепла.
Энергоэффективным принято считать дом, в котором оптимизированы все энергетические процессы. Поскольку основные энергозатраты зданий в средних широтах связаны с отоплением, прежде всего, в энергоэффективном доме до минимума снижаются теплопотери. По современным меркам, истинно энергоэффективным можно считать дом, которому для отопления и горячего водоснабжения достаточно энергии индивидуальных возобновляемых источников: солнечных батарей, ветроустановок, и т.д. Минимизация потребления энергии делает такой дом отчасти экологичным, поскольку выработка и передача энергии всегда сопряжены с отрицательными воздействиями на окружающую среду.
Таким образом, если давать короткое определение, то энергоэффективный дом - это дом, у которого существенно снижено потребление энергии без потери качества проживания.
Основные мероприятия по повышению энергоэффективности зданий сводятся к следующим «четырем китам» энергоэффективности:
Утепление дома в свою очередь включает в себя:
По каждому из приведенных в этом списке пунктов к настоящему времени имеется множество апробированных, экономически целесообразных и доступных технических решений. Работа проектировщиков состоит в правильном их выборе и гармоничном сочетании с учетом местных условий и ограничений. Проектирование энергоэффективных зданий ведется, как правило, по новым для строительной отрасли организационным схемам, приближенным к схемам проектирования больших и сложных технических систем. Об этом более подробно уже сказано в статье «Главный строитель?» в номере 2-3 «Летописи интеллектуального зодчества « за 2003 год.
Как уже отмечалось, одним из столпов энергоэффективности здания является наличие в нем автоматизированной системы управления всеми инженерными устройствами и приборами. Она в состоянии, помимо экономии энергии, снизить износ и отказы оборудования, увеличить комфорт и безопасность находящихся в здании людей.
Экономия энергии может осуществляться управляющей системой по множеству различных направлений. В качестве примеров можно указать на снижение температуры в помещениях ночью, во время отсутствия людей, пофасадное отопление, регулирование интенсивности вентиляции в зависимости от нахождения в помещении людей и т.д. Системы автоматического управления освещением позволяют экономить до 30% электроэнергии используемой осветительными приборами и т.д. Все это делает экодом по совместительству и "умным домом". Но обратное неверно, не всякий "умный дом" энергоэффективен. Энергоэффективный дом должен быть не просто «умным», он должен быть еще и ресурсоэкономным.
В Европе к настоящему времени, сложилась классификация зданий по степени энергоэффективности. Имеются списки более или менее типовых мероприятий с помощью которых можно достичь той или иной степени энергоэффективности. Прежде всего, для сравнения выделяются обычные не энергоэффективные дома. В германии, например, это дома с годовым расходом тепла около 300 квт * ч/м 2 в год, в России – 400 – 600 квт * ч/м 2 в год. Низшая категория энергоэффективности обозначается как Дома Низкого Энергопотребления (ДНЭ), далее следуют Дома Ультранизкого Энергопотребления. И наконец венчают пирамиду энергоэффективности так называемые (энерго)пассивные дома, которые раньше называли еще нуль-домами. Они обходятся вообще без системы отопления. Интересно, что в России даже многие специалисты до сих пор воспринимают пассивные дома как научную фантастику, хотя в той же германии их счет идет уже на сотни. Количественные характеристики теплопотребления домов различных категорий приведены в Таблице 1 .
Климатические условия Германии можно считать средними для западноевропейских стран. При составлении таблицы были приняты ГСОП для Германии 2200, для Росси – 4800 (Подмосковье). В последней графе приведены примерные расходы энергоносителей за отопительный сезон в пересчете на жидкое топливо. Представление о теплотехническом качестве зданий дает третий столбец, в котором указан расход энергии в расчете на одни градусо-сутки. Как видно, для старых зданий в России и Германии этот показатель отличается незначительно. В то же время, из-за разницы в климате, различия в суммарном теплопотреблениии за сезон различаются в несколько раз (второй и четвертый столбцы).
Таблица № 1. Расход тепловой энергии по типам зданий
в России и Германии.
| Индивидуаоьный жилой Дом 140 м 2 общей площади. | Годовой расход Тепла Квт. * ч / /м 2 * год | Удельный расход тепла Вт * ч/м 2 * град * сутки | Расход жидкого топлива литров / год |
| Германия | |||
| Старое строение | 300 | 136 | 4200 |
| Типовой дом 70 – х гг. | 200 | 91 | 2800 |
| Типовой дом 80 – х гг. | 150 | 68 | 2100 |
| Дом Низкого Энерго потребления 90 – х гг. | 0 - 70 | 14 - 32 | 420 - 980 |
| Дом ультранизкого энерго потребления | 30 -15 | 14 - 7 | 210 - 420 |
| Современный пассивный дом | менее 15 | менее 7 | 0 |
| Россия | |||
| Дома старой постройки (до середины 90 – х гг.) | 600 | 125 | 8400 |
| Постройки в соответствии с новым СниПом по тепло- технике | 350 | 73 | 4900 |
| Дом низкого энергопотреб- ления | 60 - 150 | 13 - 31 | 840 - 2100 |
| Дом ультранизкого энерго- потребления | 15 – 60 | 3 – 13 | 210 – 840 |
| Пассивный (теплонулевой ) дом | менее 15 | менее 3 | 0 |
Пассивные дома правильнее было бы называть теплонулевыми или безотопительными, поскольку, у них исключено внешнее потребление тепловой энергии на отопление и, как вариант, на горячее водоснабжение. Как правило, в пассивных домах горячее водоснабжение осуществляется за счет установок возобновляемой энергии, например, тепловых насосов или солнечных коллекторов. Последние получили в мире широчайшее распространение, а в некоторых странах в строительные правила введено требование обязательной комплектации ими строящихся малоэтажных домов.
Секрет того, как пассивные дома остаются теплыми без отопления, прост. В любом обитаемом доме происходят так называемые внутренние тепловыделения. Это выделения теплоты от кухонной плиты, работающих бытовых приборов, освещения. Выделяют теплоту люди и животные. Например, спокойно сидящий человек имеет тепловую мощность 120 ватт. Суммарно эти тепловыделения достигают немалых величин, сравнимых с мощностью систем отопления. По СНиПу рекомендуется принимать внутренние тепловыделения в жилых домах на уровне 10 вт/м 2 (против 50 - 80 вт/м 2 систем отопления), на практике они могут иметь и большие значения. Их достаточно для «отопления» наших жилищ в период до достижения среднесуточными температурами значения в 8 о С, после чего по нормативам включается отопление.
Экономия электроэнергии в зданиях, по понятным причинам, является более сложной задачей, чем экономия тепла. Применительно к жилым домам в настоящее время, удается достичь 25 – 50% - ной экономии электроэнергии.
По поводу энергоэффективных домов бытует заблуждение, что в них нечем дышать из-за того, что они делаются герметичными. Это не соответствует действительности, хотя в отдельных ранних экспериментальных домах фиксировалось чрезмерное снижение кратности воздухообмена. Нормы необходимого воздухообмена в энергоэффективных домах выдерживаются и даже с большей гарантией, чем в обычных. Сокращение теплопотерь с вентилируемым воздухом достигается не снижением вентиляции, а установкой теплорекуператоров, предварительным подогревом входящего воздуха теплом окружающей среды, и применением автоматически управляемой схемы вентиляции, минимизирующей холостой воздухообмен.
На случай экстремальных холодов и каких либо аварий, пассивные дома обычно снабжаются каким либо маломощными теплогенераторами, в качестве которых чаще всего выступают печка или камин. Из описаний быта обитателей таких домов следует, что они иногда используются, но почти исключительно для удовольствия, а не в целях обогрева.
Практика показывает, что люди быстро привыкают к жизни в пассивных домах и начинают предпочитать их всем другим. Вот типичный отзыв обитателей пассивного дома (Германия): «Мы никогда не мерзли. Если бы мы снова стали строить, в любом случае это был бы только пассивный дом. Мы почти никогда не отапливали свое жилище». Это и не удивительно, ведь помимо прочего, тепловой комфорт в пассивном доме выше, чем в отапливаемом за счет более равномерного распределения температур и доминирования лучистого тепла.
Практика разработки и строительства энергоэффективных и экологических домов в мире насчитывает уже не один десяток лет. К настоящему времени в западных странах пройден этап первоначальных поисковых разработок, экспериментального строительства и опытной эксплуатации энергоэффективных зданий и практически решается вопрос о переходе к массовому строительству таких зданий в качестве стандартных. Для этого уже апробированы и запущены в производство необходимые материалы, компоненты инженерных систем жизнеобеспечения, а также выкристаллизовались методики их проектирования. Параллельно систематически ужесточаются нормативные требования к энергопотреблению вновь строящихся и реконструируемых зданий. Всячески стимулируется применение при строительстве и реконструкции зданий возобновляемых источников энергии и применение других мер повышения энергоэффективности зданий. В частности, в ЕС принята и выполняется программа CEPHEUS "Эффективные по себестоимости пассивные дома как европейский стандарт".
Времена дорогого поштучного изготовления того, что необходимо для строительства энергоэффективных домов прошли. Сейчас на рынке имеется достаточно материалов и комплектующих для возведения энергоэффективных доиов. По этой причине они оказываются лишь ненамного дороже обычных. В Германии за семь лет затраты на строительство домов нулевого потребления отопительного тепла упали в семь раз, с более чем 100 000 марок до 15 000 марок за квартиру. Дополнительные расходы на строительство нуль домов падают в германии на 10 -20 % в год. Зарубежные специалисты оценивают сейчас удорожание энергоэффективного дома в 8%, из них на дополнительную теплоизоляцию тратится 3%, на систему вентиляции - 2%, на более совершенные окна 1.%%, на другие мероприятия - 1.5%.
Существует большой разброс цен на энергоэффективные дома. Он объясняется разницей в стоимости строительных материалов, рабочей силы, выбранной конструкцией. Нижняя ценовая граница для наших условий лежит в диапазоне 130 - 150 $/м 2 . Такие показатели достигнуты, например, в Белоруссии.
Во многих немецких городах и поселках к настоящему времени построены и успешно эксплуатируются уже тысячи домов низкого энергопотребления. Количество построенных домов следующего поколения - нулевых по отопительному энергопотреблению измеряется уже многими сотнями. Эксплуатационные измерения показали, что они оправдывают расчеты проектировщиков. Отдельные дома потребляют 5 квт * ч/м 2 в год теплоты, это означает, что будучи пеперенесенными в среднероссийские условия, они также смогут обходиться без отопления. При таких масштабах речь идет уже о переходе к типовому строительству энергоэффективный домов Строителям и заказчикам энергоэффективных домов практически всегда предоставляются государственные субсидии и льготы.
Начали происходить сдвиги в профессиональном и массовом сознании, в результате чего в ряд ключевых показателей, оцениваемых при выборе жилья, наравне с ценой квадратного метра, вошло удельное теплопотребление. Часто, для лучшего понимания и повышения убедительности, киловатты на квадратный метр в год переводят в цифры расхода топлива. Например, расход дизельного топлива на обогрев одного квадратного метра в год в доме, построенном в 1950-60-х годах – эпоху увлечения модернизмом, равный 30 литрам, сопоставленный с 7 литрами для жилища с низким теплопотреблением или с полутора литрами – в энергопассивном доме, красноречиво и доступно аргументирует преимущества экодома.
С финансовой и организационной помощью федеральных и земельных органов власти в ФРГ построено около полусотни посёлков и жилых комплексов, которые в нашей терминологии можно назвать образцово-показательными и экспериментальными. В них используются и испытываются различные варианты проектов, строительных материалов, конструктивных систем, инженерного оборудования.
Один из первых пассивных домов был построен в начале 90 – х годов ХХ века в Дармштадте, в 50 километрах южнее Франкфурта. Он потребляет в год менее 15 квт * час/м 2 тепла. Равномерное распределение температуры в нем создает ощущение комфорта, по отзывам очевидцев, прочие гигиенические параметры в нем выше всяких похвал. Конструктивной особенностью, отличающей его от других пассивных домов, является двусторонняя пенная изоляция оконных рам. В системе вентиляции, кроме обычного рекуператора, установлены подземные пластиковые трубы для приточного воздуха. Этот прием, традиционный для Германии, позволяет зимой предварительно подогревать приточный воздух теплом земли. Таким образом, практически воздухонепроницаемый дом, постоянно имеет большой приток свежего воздуха, почти без затрат энергии.
Свежий воздух направляется в те помещения, где находятся люди и в зависимости от их количества. За этим следит автоматическая управляющая система, получающая сигналы от измерителей концентрации углекислого газа.
Выдающимся достижением проектировщиков явилось то, что им удалось сократить электропотребление дома в четыре раза. .
В Фраунгоферовском институте солнечных энергосистем, расположенном во Фрейбурге на юге Германии в 1992 году был построен экспериментальный солнечный дом. Дом имеет электрические солнечные батареи площадью 36 м 2 , систему водородной энергетики. Сезонным аккумулятором служат водородные и кислородные емкости, газы получаются электролизом воды. Имеется маневровый кислотный электроаккумулятор на 20 квт-час. Отопление требуется в течение 15 дней в году, для этой цели сжигается водород. Последний, получается электролизом воды электроэнергией. полученной от солнечных батарей. Хранится водород в химически связанном виде в металлгидридных аккумуляторах. Отдельно сохраняется получаемый при электролизе кислород. При необходимости водород и кислород подаются на топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию и тепло. Дом полностью энергоавтономен.
Вслед за жилыми домами в Германии начинают строить деловые и административные здания пассивного класса.
Настойчиво проводимая немецкими властями политика в области энергосбережения и альтернативной энергетики, поддержанная всем обществом, уже принесла зримые плоды стратегического масштаба. При ощутимом экономическом росте и укреплении могущества страны во всех смыслах, потребление энергоресурсов в Германии за последнее десятилетие сохраняется примерно на одном уровне со слабой тенденцией к снижению.
За последнее десятилетие XX века в Германии, согласно статистическим данным, потребление первичных энергоресурсов сократилось на 3 процента, а валовой национальный продукт вырос на 11 процентов. Данная тенденция будет, скорее всего, сохраняться, поскольку, с одной стороны, цены на энергоносители неумолимо ползут вверх, а, с другой стороны, Киотский протокол по ограничению выбросов парниковых газов – отходов процессов энергопотребления Нелишним будет заметить, что в жилищно-коммунальной сфере Германии энергопотребление также снизилось на 3 процента, несмотря на то, что там ежегодно вводят в строй около 600 тысяч новых жилищ, что, кстати, в полтора-два раза больше, чем в России, при вполовину меньшей численности населения и при более, чем в два раза просторных апартаментах.
Для России строительство энергоэффективных зданий особенно актуально из-за более холодного, сравнительно с другими странами, климата. Такой показатель как ГСОП (градусо-сутки отопительного периода —объективная характеристика степени суровости климата, пропорциональная энергозатратам на отопление) в Западной Европе составляет в среднем 2000, в средней полосе России — 5000, в обжитых районах Сибири — 6000 — 8000, с рекордным значением в Оймяконе — 12 045 градусо-дней. . По логике вещей именно Россия должна была бы лидировать в области теплосбережения в зданиях, но, к сожалению, это не так. Россия в области энергоэффективности зданий находится в числе самых отстающих. Хотя в последние годы появились небольшие сдвиги, они выглядят несоразмерно мелкими в сравнении с остротой проблемы. До сих пор не построено ни одного пассивного здания, хотя несколько относящихся к категории ДНЭ появились. В качестве первой ласточки можно назвать жилой дом в Никулино – 2. в Москве.
Экономия энергии в зданиях достигается не только прямыми путями, но и косвенными, например, через экономию воды. На водоподготовку, подачу воды в дом, на отведение и очистку сточных вод расходуется энергия. Сократив расход горячей и холодной воды (также как и в случае энергии, без снижения комфорта), мы попутно снизим энергозатраты и добьемся дополнительного экологического эффекта. Данный пример иллюстрирует естественный процесс эволюции энергоэффективного дома в ресурсоэффективный и далее в, так называемй, экологический. Однако, это уже другая тема, выходящая за рамки настоящей статьи.