Повышение энергетической эффективности является одной из основных задач России на современном этапе ее развития. Это обусловлено в частности, тем, что она является страной с беспрецедентно холодным климатом. До недавнего времени в этом вопросе наблюдалось определенное недопонимание. Россию часто сравнивали с такими, якобы еще более холодными странами, как Канада, Швеция, Норвегия. Для корректного определения в социально-экономическом аспекте степени суровости климата страны, ее территорию следует разделить на зоны с климатом с различным рангом суровости. Далее надо подсчитать долю или количество населения проживающего в районах с климатом той или иной степени суровости. Полученный критерий будет объективным показателем степени "холодности" или "северности" страны.
По первому критерию (доли населения) самой холодной страной будет Монголия. По второму (количеству населения) - Россия. Все остальные страны (кроме только Финляндии) окажутся далеко позади. Это объясняется тем, что во всех этих, по существу псевдосеверных странах, почти все население сосредоточено на небольших участках территории с аномально мягким климатом, которым они обязаны теплым морским или океаническим течениям. Таким образом, по существу в мире есть только две по настоящему Северных страны - Россия и Монголия. Это определяет особую актуальность для них с одной стороны иметь эффективную систему теплоснабжения, с другой - необходимость максимально эффективного и экономного расходования тепловой энергии.
Если в свою очередь посмотреть с той же позиции на территорию России, то мы увидим, что, подобное же распределение населения по климатическим зонам повторяется уже на национальном уровне. Две трети площади страны - это территории практически не затронутые хозяйственной деятельностью. В то же время основная часть населения страны, производственные мощности и основные продуктивные сельскохозяйственные угодья сосредоточены на 15% территории. Это в основном центр, юг и запад европейской части, и юг Сибири и Дальнего Востока - районы с наиболее мягким климатом. На 30% территорий плотность населения очень низка и составляет менее одного человека на квадратный километр. Это в основном самые северные территории, где проживают северные народы, которых фольклор именует собирательно "Чукчами". Россиянам полезно было бы осознать, что для всего остального мира они такие же "чукчи".
Здесь имеется в виду специально вырабатываемая тепловая энергия, получаемая для ее последующего использования. Она может быть получена на энергопредприятиях (ТЭЦ, котельных) или непосредственно у потребителя (например, в котле дома). В первом случае она подается потребителям по теплосетям, с помощью какого либо теплоносителя (пар, вода, антифриз, воздух и т.д.). При транспортировке тепла возникают его потери, часто значительные - до 60% [1].
При выработке тепла, часть его теряется с дымовыми газами и за счет неполного сгорания. Как видно из предыдущего, тепло считается по его выработке, а не по потенциальному содержанию в топливе. Часть электрической энергии зимой также используется для прямого обогрева помещений и, должна была бы, строго говоря, учитываться по статье производства тепла, а не электроэнергии. Поскольку на этот счет статистики нет, учесть ее можно только приблизительно. Следует отметить, что использование электроэнергии для прямого отопления крайне нерационально, так как в этом случае полезно используется только 30% энергии содержащейся в топливе (КПД преобразования 35%, 5% - потери в сетях).
Львиная доля тепловой энергии страны расходуется на отопление зданий различного, в первую очередь жилого назначения. Из цифр приводимых в [1] и [2] следует, что на отопление только жилых и общественных зданий расходуется более 64% (1.53 миллиардов мвт * час/год) всей вырабатываемой в стране тепловой энергии. С учетом отопления зданий промышленного и транспортного назначения эта доля будет еще выше.
Не будет преувеличением сказать, что обеспечения тепла в жилищах - одна из главных национальных проблем России на протяжении всей истории страны. Надо отдать должное нашим предкам, они с этой проблемой справлялись на уровне современной им техники весьма успешно. Традиционная деревенская изба и русская печь до сих пор вызывают у специалистов изумление своей рациональностью и эффективностью.
Перелом в худшую сторону в вопросах теплоснабжения и теплосбережения в стране произошел в пятидесятых - шестидесятых годах минувшего столетия, когда началось массовое строительство бетонных теплорасточительных зданий. Действующие с того времени по конец 90-х годов абсурдно низкие строительные нормы на теплоизоляцию ограждающих строительных конструкций это позволяли. Продолжался гипертрофированный рост гигантских теплоцентралей с ресурсо и теплорастратными распределительными сетями. Характерно в этой связи высказывание Н.С. Хрущева: "Энергии у нас много, а жилье нам надо строить быстро и дешево". Трудно переоценить пагубность такой политики для страны с экстремально холодным климатом. Фактически в это время был запрограммирован тяжелейший энергетический кризис в жилищно - коммунальной сфере, который усугубляется сейчас на наших глазах.
В каждую эпоху проблема жилья должна решаться на основе компромисса между потребностями и имеющимися возможностями. В применении к современному массовому Российскому жилью разумным представляются следующие компромиссные показатели: 40 - 60 м 2 общей площади на человека, хотя бы небольшой индивидуальный участок земли, низкое отопительное энергопотребление (ниже 40 квт * ч/(м 2 * год)), небольшой бассейн и зимний сад. Последние необходимы для хотя бы частичной компенсации нашим гражданам неудобств долгой зимы.
Основанием для рекомендации таких параметров жилья служит возможность его строительства по относительно невысоким ценам и по проектам, обеспечивающим в дальнейшем низкие эксплуатационные расходы. Последнее возможно при комплексном применении лучших современных энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Не вдаваясь здесь в описание множества известных или малоизвестных перспективных строительных технологий, зададимся вопросом об их экономической и ресурсной состоятельности.
Современное состояние теплоснабжения в России специалистами оценивается как критическое, близкое к национальному бедствию. Президент В.В. Путин по этому поводу в феврале нынешнего года сказал: "Совершенно очевидно, что это системный кризис жилищно-коммунального хозяйства в стране". Время для постепенного реформирования отрасли упущено. Система начала разваливаться и требуется принятие экстраординарных мер.
Полезно сравнить строительные нормы регламентирующие минимальное термическое сопротивление стен жилых зданий в различных странах. Напряженность отопительного сезона в Градусо-Сутках Отопительного Периода (ГСОП) пропорциональна с одной стороны его длительности, с другой - степени понижения температур на его протяжении. В первом приближении теплопотери зданий пропорциональны ГСОП. Знание ГСОП позволяет корректно сравнивать и пересчитывать показатели, связанные с отоплением в разных климатических регионах и в разных странах в объективно сопоставимые величины. Ниже, в Таблице 1, приводятся норы, действовавшие у нас в стране и в некоторых странах до середины 90-х годов ГСОПы и нормы на термическое сопротивление стен .
Таблица 1.
№ |
Страна |
Величина ГСОП градусо-сутки |
Требуемое термическое сопротивление стен кв. м град./вт. |
1 |
Россия (центральный район) |
6000 |
1.0 |
2 |
Германия |
2400 |
2,5 |
3 |
Швеция |
4000 |
3,7 |
4 |
США |
2000 |
3,5 |
По логике вещей именно Россия должна была бы лидировать в области теплосбережения в жилищном секторе, но как видно из Таблицы 1. в полном противоречии со здравым смыслом теплоизоляция нашего жилья была не только в четыре раза ниже, чем в более теплой Швеции, но и намного ниже, чем в Германии и в такой весьма теплой стране как США. Из таблицы следует, что теплоизоляция стен существующего жилого фонда у нас была хуже в три раза чем в США, в то время как отопительный сезон "холоднее" в два раза. В настоящее время для центральной России действуют строительные нормы на термическое сопротивление стеновых конструкций равные 3. вт/(м 2 * о С). Нормы на термосопротивление ограждающих конструкций в развитых странах быстро повышаются и за ними трудно уследить. Сам вид норм меняется, переходят от нормироавания термосопротивления к нормированию показателя расхода тепловой энергии на единицу общей площади за отопительный сезон, что является более адекватным показателем. Декларируется цель достижения уровня так называемого "нулевого" или "пассивного" теплопотребления, при котором отпадает необходимость в системе отопления. Такое качество достигается при термическом сопротивлении стен порядка 10 вт/(м 2 * о С). Это подтверждается тем, что в ЕС действует Программа CEPHEUS "Эффективные по себестоимости пассивные дома как европейский стандарт". На этом фоне на страницах Российской профессиональной строительной печати не прекращается кампания за снижение норм на термическое сопротивление …. Например, статья "В защиту отечественного строительства и промышленности строительных материалов", "Строительный эксперт" №10, 2001 г ., стр 4-5.
В настоящее время в Европе используется классификация жилья по величине потребляемой на отопление энергии. Она относится к среднеевропейским условиям, каковыми можно считать Немецкие . Эта классификация встречается в литературе, носит ли она официальный характер мне неизвестно. Для пересчета нужно было выбрать среднеевропейский показатель ГСОП, я выбрал для этого Немецкий показатель. (таблица № 2). В последнем столбце Таблицы 2 приведены Европейские показатели, пересчитанные на условия средней полосы России.
Таблица 2.
№ |
Категории домов по энергопотреблению |
Отопительное теплопотреб-ление квт.ч/(кв.м год) |
То же в пересчете на среднероссийские условия |
|
1 |
Рядовые неэнергоэф-фективные дома |
300 |
570 |
|
2 |
Дома низкого теплопотребления |
70 |
133 |
|
3 |
Дома ультранизкого теплопотребления |
30 |
57 |
|
4 |
Дома нулевого теплопотребления |
менее 20 |
менее 15 |
|
В настоящее время строящиеся в средней полосе по действующим СНиПам коттеджи имеют показатель удельного расхода тепловой энергии на отопление от 250 до 350 квт * ч/(м 2 * год). В федеральных нормах (СНиП II - 3 - 79*) регламентируется только термосопротивление окон и непрозрачных ограждающих. Если посчитать теплопотери среднего коттеджа, то получатся приводимые цифры. В последних Московских строительных нормах введен показатель 180 квт * ч/(м 2 * год), но он на практике реально достигнут будет не скоро. Его будут фиктивно выводить на бумаге. Они как видно из Таблицы 2, они далеко не дотягивают даже до норм домов с низким потреблением энергии. Индивидуальные дома, строящиеся без соблюдения требований СНиПов в области теплозащиты, имеют еще более худшие показатели.
Строительство энергоэффективных домов может вестись по технологиям двух типов: так называемым "добавленным" и прямым. «Добавленные» технологии позволяют, в общем, сохранить традиционный облик здания и традиционные строительные материалы и предполагают, для улучшения эксплуатационных и гигиенических характеристик здания, добавление определенных строительных элементов и инженерных систем. Это приводят к некоторому общему удорожанию здания, такой способ строительства следует признать имеющим переходный, компромиссный характер.
Строительство по прямым технологиям с использованием адекватных строительных материалов (как правило, из дешевого местного сырья) и соответствующих инженерных систем. Их использование позволяет в ряде случаев избежать удорожания или даже удешевить его. Однако по причинам психологического характера (неготовность потребителей к новым материалам и конструкциям), в качестве актуальных сейчас следует рассматривать "добавленные" технологии.
Для выбора рациональных проектных решений по "добавленным" технологиям ключевым является вопрос об определении оптимальной степени радикальности строительных энергосберегающих мероприятий. Закладывая на этапе строительства здания энергосберегающие конструктивные решения мы получим за счет них экономию на этапе эксплуатации, однако в этом вопросе важно избежать крайностей. Если расходы на энергосберегающие решения будут чрезмерными, на этапе эксплуатации они не окупятся, и, наоборот, если они будут недостаточными, текущие издержки приведут к росту общих расходов на строительство и эксплуатацию. Таким образом, где-то между двумя крайностями будет находиться минимум кривой отвечающей общим затратам, строительным и эксплуатационным.
Ранее по этому поводу в отечественной строительной литературе приводились публикации доказывающие нецелесообразность ( Вопрос 14. Нецелесообразность мотивировалась экономической невыгодностью, действительно, при линейном росте затрат на теплоизоляцию мы получаем квадратично убывающую соответсвующую экономию тепловой энергии.) утепления зданий до значений термического сопротивления непрозрачных ограждающих конструкций свыше 3 м 2 * о К/вт. При этом обходился молчанием вопрос о предотвращении потерь тепла из здания по другим каналам. (Вопрос 15. Речь не о том, что не упоминали о потерях тепла через окна и вентиляцию, а о том, что молчаливо считали, что их предотвратить нельзя и с ними остается только смириться. Хотя это противоречит элементарной физике. )
Как известно, здание в холодный период 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 . (Вопрос 16. В разных зданиях значения могут отличаться, но здесь речь идет лишь о очень грубой оценке.) В приводимых ранее во множестве в строительной литературе примерах расчета экономически оправданной степени утепления зданий, молчаливо предполагалась возможность утепления только непрозрачных ограждающих конструкций: стен, фундамента, крыши. (Вопрос 17. См ответ к №15.) Такую постановку задачи иначе как абсурдной назвать нельзя и, соответственно, полученные при этом результаты также. Это подобно тому, как рассматривать вопрос, насколько теплая нужна человеку куртка, если он выходит на мороз босиком без шапки и без штанов.
Таким образом, при решении вопроса об оптимальном "утеплении" домов следует в качестве аргумента задавать не термосопротивление того или иного элемента оболочки здания, а более общий показатель, такой, например, как удельный по площади расход тепла за отопительный сезон. А уже потом, после нахождения оптимума, можно исходя из оптимального набора конструктивных решений его обеспечивающих, определить требуемое термосопротивление отдельных ограждений.
Для численного определения оптимума следует обоснованно выбрать период времени, для которого будет производиться расчет. Ясно, что он не должен быть слишком большим и должен соответствовать сроку до первой серьезной замены оборудования или реконструкции. В сложившихся условиях быстрого морального старения техники и технологий целесообразен, по-видимому, срок в 15 лет. Он приблизительно равен сроку ожидаемой службы большинства отопительных котлов.
Автором был сделан расчет оптимальной степени радикальности энергосберегающих мероприятий при строительстве по "дополняющим" технологиям отдельного коттеджа средних размеров ( 200 м 2 ) и компактной формы в Подмосковье. Сначала рассчитывалась по текущим ценам стоимость реализации конструктивных решений приводящих к снижению удельного отопительного теплопотребления относительно исходного среднего существующего уровня, за который был принят уровень в 350 квт * ч/(м 2 * год). С выбором последовательности строительных мероприятий проблем не возникало, поскольку их эффективность носит в первом приближении линейно независимый характер и может быть рассчитана по отдельности. Рассматривались уже ставшие традиционными в развитых странах для энергоэффективного строительства конструктивные решения. Это усиление теплоизоляции внешнего контура здания, использование окон с большим термическим сопротивлением, применение приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией энергии и т.д. Материалы и конструктивные решения выбирались из разряда эффективных и недорогих, так, например, минимизировалось использование дорогих утеплителей в пользу гигиеничных и более дешевых на основе, в частности, базальтовых волокон. Таким образом, в первую очередь предполагалось использование мероприятий дающих наибольший эффект при одних и тех же затратах.
Учитывались следующие факторы удорожания дома в зависимости от степени его энергоэффективности:
Вторым этапом рассчитывалась совокупная стоимость отопления дома за выбранный период в 15 лет при различной величине удельного теплопотребления. Затраты на отопление рассчитывались исходя из средних, установившихся в Московском регионе на практике цен на все компоненты системы отопления, такие как инфраструктура для подвода того или иного энергоносителя (газопровод, подъездные пути для заправщика, линия электропередачи) теплогенератор, распределительная арматуру, системы автоматики. стоимость монтажа и периодического технического обслуживания. При снижении потребности дома в тепловой энергии на отопление, уменьшаются в той или иной мере затраты на все компоненты системы отопления, а не только на топливо, как иногда ошибочно считают при такого рода оценках. Ниже перечислены основные факторы снижения стоимости при уменьшении теплопотребления:
Стоимость отопления на перспективу в 15 лет существенно зависит от динамики цен на энергоресурсы на его протяжении. Не подлежит сомнению, что внутренние цены на энергоносители будут расти, стремясь к среднемировым, а последние также будут в целом увеличиваться, следуя устойчивой долговременной тенденции. В данной работе не делались попытки прогноза характера роста внутренних цен на энергоносители, для оценки же перспектив расчет стоимости велся для трех вариантов: для внутренних цен на 2001 год, для среднеевропейских цен на этот же год и для гипотетического случая, если бы цены были увеличены в 5 раз, исходя из здравого экологического смысла.
Согласно экономической теории, цена товара должна включать в себя часть идущую на хотя бы частичную компенсацию экологического ущерба связанного с его производством. По мнению западных экономистов, в цене энергоносителей эта составляющая, стараниями крупных энергетических корпораций, в настоящее время, практически отсутствует. По оценкам экономистов, отрасли материального производства, использующие природные ресурсы наносят экологический ущерб приблизительно вчетверо-впятеро раз больший, чем стоимость вырабатываемой продукции. В топливной энергетике, сравнительно с другими отраслями, сырьевая составляющая особенно высока, поэтому для нее эта оценка выглядит едва ли не заниженной. Кроме того, сама эта оценка учитывает лишь прямые материальные факторы, и, следовательно, не является полной. Таким образом, европейские цены на энергоносители увеличенные в 5 раз, можно считать приблизительно экологически сбалансированными.
В Таблице 3. приводятся использованные для расчета стоимостей различных вариантов отопления современные цены на энергоносители.
Таблица 3.
№ |
Вид энергоносителя |
Внутренние цены |
Европейские цены |
1 |
Уголь |
30 $/тонна |
- |
2 |
Солярка |
0.25 $/литр |
0.5 $/тонна |
3 |
Газ |
12 $/1000 м 3 |
100 $/1000 м 3 |
Таким образом, мы можем получить две зависимости от удельного теплопотребления - кривую дополнительных относительно существующего уровня капитальных затрат на энергосбережение и кривую общих затрат на отопление. То, что стоимости будут в первом случае в первом случае будут выражать дополнительные затраты, а во втором - полные, не должно смущать, ведь мы ищем не абсолютные значения , а относительные - точки минимума общих затрат.
Результаты расчетов для варианта газового отопления коттеджа приведены на графике 1. Из него явствует, что минимум общих затрат для действующих внутренних цен на газ достигается при цене дополнительных капитальных энергосберегающих мероприятий 21 $/м 2 и показателе теплопотребления 125 квт * ч/(м 2 * год). Для европейских цен соответствующие показатели равны 31 $/м 2 и 100 квт * ч/(м 2 * год). Расчет с использованием экологически скорректированных цен дает значения 66 $/м 2 и 55 квт * ч/(м 2 * год). Это говорит о том, что и современная отечественная строительная практика и даже опережающие их нормы СниПа, ориентированные на значения удельного теплопотребления в 300 - 400 квт * ч/(м 2 * год) далеко не соответствуют оптимуму по общим затратам для случая строительства коттеджа средних размеров в Подмосковье. Характер процессов теплопотерь различными зданиями позволяет предположить, что подобный результат будет справедлив и в отношении иных типов зданий в других климатических районах.
Аналогичные выводы можно сделать и из результатов расчетов по отоплению на солярке, угле и с нагревом воды в электрокотлах (Графики 2,3). Оптимумы даже по явно заниженным внутренним ценам лежат в районе 80 - 90 квт * ч/(м 2 * год), что для условий России соответствует достаточно высокой степени энергоэффективности зданий, соответствующий, например, стенам с термическим сопротивлениям R = 7 - 9 м 2 * о К/вт. Характерно, что при использовании для угля экологически скорректированных внутренних цен, т.е. в определенной мере компенсирующих ущерб окружающей среде от его добычи и использования, расчет сразу показывает целесообразность выхода на уровень нулевого теплопотребления (менее 15 - 20 м 2 * о К/вт.).
Полученные результаты ясно указывают на экономическую целесообразность кардинального снижения потребления тепла зданиями путем использования радикальных энергосберегающих конструктивных решений на стадии строительства. Иными словами расчеты подтверждают то, что лучше один раз дом утеплить, чем потом всю жизнь его сверх меры топить.
В данной работе, в силу ее ограниченного объема, не затронуты многие важные аспекты энергоэффективного строительства, такие как использование возобновляемых источников энергии, биотоплив, применение экологически благоприятных материалов и многие другие. С учетом их экологическая и социально-экономическая привлекательность энергоэффективного жилья еще более возрастает.
Таким образом, и приводимые здесь расчеты и данные зарубежной строительной практики, свидетельствуют о безусловной целесообразности строительства энергоэффективного жилья в России не только с экологической, но и с экономической точки зрения.