6.1 Энергоэффективность наружных конструкций зданий

       Энергоэффективность ограждающих конструкций зданий понимаем, как минимальное потребление энергии из недр земли при максимальной производительности труда в строительстве и обеспечении комфортных условий в помещениях зданий.

     Ежегодно строительная отрасль расходует около 60 % всего добываемого топлива, который идет на внутренний рынок.
  Главными причинами малоэффективной экономики строительства является повышение энергетических издержек производства из-за резкого увеличения материалоемкости строительства и сокращения срока службы зданий. Здесь учитывается, что строительная отрасль относится к главному сектору экономики, даже, если она и убыточна. В большей степени на энергоэкономичность, в свою очередь влияющие на энергосбережение зданий, влияют, во-первых, правильный выбор объемно-планировочных решений, во-вторых срок службы зданий, в-третьих расход энергии, которая идет на утепление наружных стен здания, потери тепла при эксплуатации.

      Чтобы в значительной степени экономить энергию и в то же время  увеличить производительность труда в строительстве, необходимо строить здания длительного пользования. Начиная с 60-х годов, строились панельные здания с коротким сроком службы (не более 30–70 лет эксплуатации).
  Противоречие этой взаимосвязи состоит  в том, что с увеличением теплозащиты ограждения, уменьшается расход энергии. В то же время увеличивается энергоемкость конструкции, т. е. увеличивается расход энергии на его создание и монтаж.
  Эти направления эксплуатируют частные аспекты экономии энергии, которые на самом деле взаимно исключают друг друга. Так, снижая энергоемкость зданий, увеличиваются  расходы на их отопление, а снижая эти расходы, повышается энергоемкость зданий.
  Для решения этих проблем, существует простой и надежный метод расчета энергоэффективности оболочки здания. Он состоит в том, что  из большинства переменных величин, связанных с энергоемкостью всего здания и его теплопотерями, необходимо выделить наиболее главнейшие параметры, затем исследовать связи между ними, и  при помощи математического моделирования, получить оптимальное решение задачи.
Этот  метод расчета заключается в том, что поэлементно наружные ограждающие конструкции (стены, окна, покрытия и полы) рассчитываются по затратам тепла на отопление и затратам энергии на их изготовление. А также рассчитываются затраты на транспорт и монтаж с учетом срока службы каждого элемента и здания в целом, климатического района строительства при обеспечении в помещениях удобных условий согласно строительным нормам.

    Независимо от основного материала стен конструкция здания должна быть утеплена с использованием эффективного утеплителя для теплозащиты. Расчеты и практика проектирования показали, что эффективным может считаться утеплитель, теплопроводность которого не превышает 0,08 Вт/(м•К).

       Следует отметить, что выбор наиболее эффективных утеплителей для ограждающих конструкций в основном зависит от вида строительства. Для вновь строящихся зданий можно применять эффективные утеплители, как на минеральной, так и на синтетической основе.
   Если говорить о  панельных конструкциях, следует отметить, что новым теплотехническим требованиям в полном объеме соответствуют только трехслойные панели с гибкими связями. Совсем другое дело, если конструкция наружных стен из кирпича. Колодцевая кладка кирпичных стен толщиной 770 мм при использовании утеплителя с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м•К) обеспечивает приведенное термическое сопротивление теплопередаче не более 2,85 (м²•К)/Вт, т. е. практически не удовлетворяет нормативам для большинства регионов страны. С такими показателями  стена пригодна для южных регионов страны. Если аналогичная  кирпичная стена с гибкими связями обеспечивает теплозащиту, равную примерно 5,05 (м²•К)/Вт, то практически применима для всех регионов. В многоэтажных домах необходимо применять трехслойные кирпичные стены с поэтажно навесным фасадным слоем либо целиком навесные наружные стены.
   Утепление стен существующих зданий необходимо решать путем их утепления либо с наружной, либо с внутренней стороны.

       Расчетно-аналитические и проектные разработки показывают, что устройство дополнительной теплоизоляции здания защищает стену от попеременного замерзания, оттаивания и других атмосферных воздействий.

    Также дополнительная теплоизоляция  выравнивает температурные колебания основной стены, благодаря чему исключается появление в ней трещин вследствие неравномерных температурных деформаций, что присуще для наружных стен из крупных панелей; благоприятствует увеличению прочности, и долговечности несущей части наружной стены.    Теплоизоляция  сдвигает точку росы во внешний теплоизоляционный слой, благодаря чему исключается отмокание внутренней части стены; создает наилучший режим работы стены по условиям ее паропроницаемости, исключающей необходимость устройства специальной пароизоляции, в том числе на оконных откосах, что требуется в случае внутренней теплоизоляции. Образуется  более подходящий благоприятный микроклимат помещения; позволяет в ряде случаев улучшить архитектурную выразительность  реконструируемых или ремонтируемых зданий; не уменьшает площадей помещений; обеспечивает возможность утепления зданий без создания дискомфортных условий проживания или выселения жильцов и многое другое.

    6.2 Энергоэффективность инженерных систем

    Энергоэффективность инженерных систем изучали многие ученые.

    В связи с тем, что основное охлаждение помещений в зимний период происходит через щели в окнах, повышение их теплозащитных качеств, связано с уменьшением воздухопроницаемости за счет применения герметизирующих прокладок. Во-первых, снижает теплопотери, во вторых – уменьшает ниже требуемого количество свежего воздуха, который поступает в помещение.

       Поэтому необходим переход от неорганизованной переменной инфильтрации к организованному регулируемому притоку наружного воздуха с помощью специальных устройств, отвечающие следующим требованиям:
1. отсутствие дискомфорта по температуре и подвижности воздуха в  проживании;
2. герметичность устройства при закрытом положении;
3. термическое сопротивление клапана приточного устройства – не менее термического сопротивления оконного заполнения;
4. возможность плавного регулирования во всем диапазоне – от полностью открытого до полностью закрытого положении;

5.эстетичность.
   Экономии тепла при улучшении воздушного режима помещений при соблюдении указанных выше требований отвечает способ вентиляции помещений через регулируемые вентилируемые окна и вентилируемые наружные стены. Эффект такой вентиляции заключается в том, что наружный холодный воздух, проходя через наружное ограждение, нагревается и выходит в помещение, возвращая часть теряемого тепла.
Инженерные системы, в большой степени, влияющие на энергетический баланс жилого здания, включают отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и электроснабжение. За счет повышения энергоэффективности систем или за счет сокращения потребления энергоресурсов при должном регулировании и контроле за их расходом достигается экономия энергоресурсов при эксплуатации инженерных систем.
  В системе вентиляции регулирование воздухообмена  жилых помещений в соответствии с конкретными объемами необходимо производить за счет изменения сквозного сечения вентиляционных решеток. Особенно существенна такая регулировка в многоэтажных зданиях, где тяга в венткамерах значительно изменяется в зависимости от высоты расположения данного помещения. При этом удалять воздух непосредственно из комнат в многокомнатных квартирах не рекомендуется, т. к. нарушается организация движения воздуха в квартире.
Применение утилизаторов вытяжного тепла в многоэтажных жилых зданиях имеет определенные трудности, связанные с их стоимостью и условиями эксплуатации. Поэтому их применение рекомендуется в первую очередь в малоэтажных и одноквартирных зданиях, где они могут быть применены в более простом конструктивном и эксплуатационном исполнении. Для жилых зданий средней и повышенной этажности (начиная с 7-этажных) для утилизации эвакуируемого теплого воздуха более целесообразно применение «теплых чердаков». Такие чердаки не решают полностью вопроса использования тепла вытяжного воздуха, но в то же время позволяют добиться улучшения воздушного и теплового режимов в многоэтажном жилом доме.
Использование вместо естественной вентиляции механической вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования, хотя и позволяет достигнуть стабильного поступления наружного воздуха во все помещения, сопряжено с дополнительным расходом энергоресурсов, усложнением эксплуатации таких систем, дополнительными капитальными затратами. Кроме того, качество воздуха, подаваемого по этим системам в помещения, хуже, чем воздух, непосредственно поступающий с улицы. Поэтому для массового строительства энергоэффективных жилых зданий такие системы нерациональны.

  Экономию энергоресурсов в системе отопления жилого дома можно достичь только при применении поквартирных систем отопления с горизонтальной разводкой трубопроводов, либо от лестничных стояков, либо от поквартирных теплогенераторов [19]. В этом случае представляется возможным организовать учет, контроль и регулирование жильцами количества потребляемой энергии. При их эксплуатации не до конца решенными вопросы остаются - повышенная стоимость и их ремонтопригодность. Используя поквартирные системы отопления, жители домов могут самостоятельно регулировать (вручную или, при установке соответствующей аппаратуры, автоматически) подачу тепла в комнаты, ориентация которых по разным сторонам света.
На сегодняшний день используемые системы холодного и горячего водоснабжения, электроснабжения позволяют наладить индивидуальный контроль и учет потребления этих энергоресурсов, что и предусматривается в нынешних проектах жилых зданий.
Актуальными на сегодняшний день являются нетрадиционные источники энергии, которые используются  при проектировании и строительстве энергоэффективных жилых домов. К ним относят использование солнечных батарей, использование геотермальных вод, низкопотенциальное тепло верхних слоев земли, дождевой воды, грунтовых вод, использование энергии ветра, утилизации тепла сточных вод и т.д. И хотя вклад этих источников в тепловой баланс многоэтажных жилых зданий не может намного уменьшить затраты тепла, они могут внести в него заметный вклад. Если говорить об малоэтажном строительстве, особенно при строительстве одноквартирных домов, удельный вес нетрадиционных источников энергии может быть еще более перспективным.
 

    6.3 Инженерные решения высотных жилых комплексов

    Актуальными постройками на сегодняшний день во всем мире являются здания повышенной этажности. Во всем мире тысячи небоскребов строятся, и еще, сколько будет построено. Например, в Сингапуре нет территорий для возведения новых зданий и сооружений, поэтому правительство решило эту проблему тем, что строятся высотные здания, небоскребы. Конечно же, все архитектурно-строительные решения высотных зданий ведется с учетом интересов заказчика, архитекторов, конструкторов, инженеров-проектировщиков инженерных систем, специалистов в области вертикального транспорта, безопасности зданий, специалистов, занимающихся строительством и эксплуатацией таких объектов. Их опыт является очень важным и ценным материалом, который главным образом может влиять на выбор архитектурных, инженерных, конструкторских решений, что позволяет учесть ряд закономерностей и особенностей, которые зачастую не учитываются в процессе проектирования, но впоследствии вызывают проблемы при эксплуатации объектов. Проектировщики объединяются в имеющемся опыте, знаниях, и вместе решают вопросы проектирования и эксплуатации высотных комплексов.

    Несомненно, очевиден тот факт, что высотки становятся перспективными в плане экономичности, перспективности. Большинство специалистов в области проектирования и строительства уверены в том, что большая этажность зданий или большая плотность городского населения, при которой жилье, работа и учреждения социальной сферы и отдыха расположены близко друг от друга, ведет автоматически к более высокому качеству жизни.

    Вопрос многоэтажек обсуждается на многих семинарах, встречах архитекторов, инженеров, экологов и даже психологов и всех других заинтересованных лиц, остро стоит вопрос о целесообразности и безопасности таких домов. Тем не менее, кроме важности архитектурных и конструктивных проблем при проектировании высотных зданий, отметим некоторые, которые следует учитывать при проектировании систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха:

– данные виды систем должны проектироваться с учетом влияния наружных климатических воздействий и величины перемещения потоков массы и энергии внутри здания. Высотные дома проектируются не так, как обычные многоквартирные дома, здесь учитывается специфика, планировка и многие другие факторы;

– следует отметить, что каждая возводимая высотка  - это уникальное произведение архитектурно-инженерного искусства, и применяемые в нем конструктивно-технологические решения не могут быть использованы в других проектах.

    Архитектурное и инженерное проектирование здания, учитывая направленное действие наружного климата, позволяет без дополнительных затрат повысить энергетическую эффективность здания, качество воздуха рабочей зоны в помещениях,  решить задачу сохранения окружающей среды.

    В целях снижения стоимости энергии, а также уменьшения вредного воздействия на окружающую среду в высотных зданиях используются автономные источники тепло-, энергоснабжения. «Традиционные» автономные источники тепло-, энергоснабжения отличаются более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и уменьшенными выделениями вредных выбросов. К «нетрадиционным» (возобновляемым) источникам  тепло-, энергоснабжения относятся топливные элементы, фотоэлектрические панели (солнечные батареи), системы использования низкопотенциального тепла земли. К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных - более крупных - ГЭС только масштабом.

   Многие ученые разных стран публикуют свои научные разработки различных источников энергии, в том числе, и нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ). Международная компания «Гринпис» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использование НВИЭ. Данные виды источников имеют и достоинства и недостатки, к достоинствам можно отнести широкая распространенность их видов, а также экологическая безопасность и чистота. НВИЭ являются бесплатными, т.е. в их составляющей нет топливо содержащего компонента, затраты на эксплуатацию  не требуется.

К неблагоприятным условиям НВИЭ относят удельную мощность, изменчивость во времени, т.е. их непостоянство. Первое условие подразумевает создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Очевидно, большие капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальном этапе это требует больших вложений для тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Одной из проблем использования таких источников энергии – это изменчивость во времени источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Получение электрической энергии подразумевает то, что ее необходимо тотчас же использовать, в этом ее и особенность. Ее нельзя хранить, оставить на про запас, отнести на склад и др. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии еще не решены, ученые всего мира размышляют над этим вопросом. И пока никому неизвестно насколько быстро это решится. Для малых автономных ветровых и сол-

нечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15% (по мощности). Фактор «бесплатности» многих видов энергии нивелируется большими затратами на приобретение необходимого оборудования. В этом и парадокс, в основном, богатые страны используют бесплатную энергию. Хотя заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но они не имеют средств на закупку в необходимом количестве соответствующего оборудования. Что касается развитых стран, они используют  нетрадиционные источники энергии, в основном, в связи с экологической безопасностью, энергосбережения.

Подведя итоги, хочется отметить, что для создания и использования НВИЭ необходимы немалые средства для закупа соответствующего оборудования, чтобы организовать их крупномасштабное применение.

Контрольные вопросы:

1. Что является главными причинами малоэффективной экономики строительства?

2. Назвать основные факторы энергоэкономичности, на что они влияют?

3. Как решаются проблемы теплоизоляции?

4. С какой целью необходим переход от неорганизованной переменной инфильтрации к организованному регулируемому притоку наружного воздуха с помощью специальных устройств?

5. Как достигают экономию энергоресурсов в системе отопления жилого дома?

6. Что относится к нетрадиционным источникам энергии?

7. Что относится к инженерным решениям высотных жилых комплексов?

8. Что используется для снижения стоимости энергии, а также уменьшения вредного воздействия на окружающую среду в высотных зданиях?

9. Преимущества и недостатки нетрадиционных возобновляемых источниках энергии?

10. Используют ли нетрадиционные возобновляемые источники энергии страны с низким уровнем жизни, если да, то какие виды энергии, а если нет, то почему?