Основные вопросы проектирования энергоэффективных зданий
Несмотря на то, что положительный опыт строительства энергоэффективных зданий периодически становится предметом обсуждения в СМИ, тенденция строительства зданий с низким энергопотреблением в республике пошла на спад. Только некоторые дальновидные инвесторы делают заказ на здания с повышенным уровнем тепловой защиты, оборудованные современными инженерными системами. Вместе с тем в условиях роста стоимости энергоносителей и коммунальных услуг, внедрением индивидуальных теплосчетчиков практически каждый потребитель может оценить выгоду от энергосберегающих мероприятий.
Сталкиваясь со сложностями внедрения новых технических решений энергоэффективных зданий, участники процесса строительства отказываются от них по различным причинам. Основными являются: повышенная сложность проектирования, необходимость применения дополнительного оборудования и, как следствие, увеличение стоимости квадратного метра. Вместе с тем первая причина устраняется обращением к более опытным специалистам, повышением собственной квалификации, вторая – экономическим обоснованием принимаемых решений. Известно, что эксплуатационные затраты на содержание зданий энергоэффективного и обычного формата существенно отличаются в пользу «теплых зданий». Сдерживающим фактором является также недостаточная осведомленность проектировщика, застройщика (особенно если это застройщик индивидуального дома усадебного типа) и конечного потребителя.
Государственное предприятие «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С. С.» с начала 90‑х годов при активной поддержке Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь выполняет научно-исследовательские и проектные работы в области энергоэффективного строительства и является общепризнанной ведущей организацией в этом направлении. При участии института был спроектирован ряд энергоэффективных многоквартирных жилых зданий в Беларуси, России, Казахстане. Часть объектов уже построена, и получены первые результаты их успешной эксплуатации. На их основании институтом разработана Комплексная программа по проектированию, строительству и реконструкции энергоэффективных жилых домов в Республике Беларусь (далее – Программа). Институтом также разработана необходимая нормативная база для оценки энергетической эффективности проектируемых зданий, в частности, ТКП 45–2.04–196–2010 «Тепловая защита зданий. Теплоэнергетические характеристики. Правила определения», рекомендации.
Цель статьи – освещение основных вопросов проектирования энергоэффективных зданий для восполнения дефицита информации по указанной тематике.
Тепловая изоляция ограждающих конструкций
Уровень тепловой изоляции ограждающих конструкций определяет потери теплоты через ограждения, а значит, влияет на общее энергопотребление здания.
Для зданий различной этажности доля потерь теплоты через разные ограждающие конст-рукции от общих теплопотерь различная. Если на 1 м2 жилой площади дома усадебного типа приходится около 2,2–2,5 м2 наружных стен, перекрытия чердака и подвала 2,4–3,2 м2, окон 0,25 м2, то и доля теряемой через них тепловой энергии в общих теплопотерях здания составляет примерно 30 %, 12 %, 15 % соответственно. Показатели для 9‑ти этажного многоквартирного жилого дома другие. Ориентировочно на 1 м2 жилой площади приходится: наружных стен – около 1,0 м2, перекрытий первого и последнего этажа – 0,5 м2 и окон – 0,25 м2. Соответственно, доля теплопотерь через них составляет примерно 20 %, 4 %, 15 % общих теплопотерь при нормативных значениях сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и естественной вентиляции. Оставшиеся теплопотери связаны с вентиляцией.
Вышеуказанное соотношение теплопотерь на зданиях различной этажности отражено в нормах: нормативные удельные затраты тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоэтажного здания почти в 2 раза ниже, чем у здания с малым количеством этажей (см. ТКП 45–2.04–196–2010), поэтому затраты на эксплуатацию этих зданий в одинаковых климатических условиях и равной заселенности будут отличаться пропорционально. Следовательно, при проектировании подход к выбору технических решений в вопросах тепловой защиты зданий, инженерных систем должен быть различным.
В связи с тем, что в настоящее время в области жилищной политики государство делает ставку на развитие строительства индивидуальных жилых зданий, становится ясно, что системам утепления и инженерному оборудованию домов усадебного типа следует уделять повышенное внимание.
Современный строительный рынок сегодня предлагает достаточно широкий выбор стено-вых и изоляционных материалов. Вместе с тем требуемого эффекта энергосбережения можно не достичь, если при проектировании и строительстве пренебрегать так называемыми «мостиками холода» – участками ограждений с повышенными потерями теплоты. Находятся они, как правило, в местах соединения или ограничения конструкций: углах, примыканиях, проемах, в местах теплопроводных включений в виде металлических связей, монолитных поясов и др. Несмотря на то, что действующий ТКП 45–2.04–43–2006 «Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования» позволяет учитывать перечисленные мостики холода при расчете сопротивления теплопередаче путем использования результатов расчета температурных полей, на практике такие расчеты не выполняют или выполняют очень редко. Одна из причин такой ситуации – отсутствие четких методических указаний по этому вопросу.
Между тем, вклад подобных теплопроводных элементов может быть существенным. Если за критерий влияния перечисленных мостиков холода принять коэффициент теплотехни-ческой однородности, который означает отношение значений сопротивления теплопередаче ограждения с теплопроводными элементами и без них, то, по опыту наших расчетов, для современных конструкций наружных стен он может достигать значений от 0,48 до 0,75, для цокольных перекрытий – 0,9, для чердачных перекрытий – 0,8–0,87. Большую роль в этом процессе играют узлы примыкания окон, утепления откосов, наличие (отсутствие) сквозных связей между облицовочным и несущим слоем.
Задача конструктора при проектировании «теплых» ограждений – добиться непрерывности изоляционного контура здания или, если эта непрерывность невозможна, снижения до минимального уровня влияния мостиков холода с оценкой результата путем расчета температурного поля узлов ограждений. Многих жалоб и проблем «сырых углов и откосов» можно было избежать, если бы такая оценка стала обычной практикой проектирования. В зарубежных статьях, посвященных энергосбережению в зданиях, в качестве резерва экономии энергии все чаще упоминаются «termal bridges» (тепловые мостики). Об их обязательном учете при оценке энергетоэффективности зданий указано в Директиве 2010/31/EU. В европейской и международной практике такой опыт давно уже используется: в ряде стран на отдельные виды наружных стен и перекрытий из конкретных материалов разработаны так называемые атласы «тепловых мостиков», действуют стандарты в этой области.
Микроклимат помещений
При стремлении снизить энергопотребление здания нельзя забывать о том, что энергетическая эффективность зданий должна достигаться при условии обеспечения в них комфортных условий: при любом варианте проектного решения должны быть обеспечены требуемые параметры микроклимата эксплуатируемых помещений. Это требование безопасности зданий закреплено положениями технического регламента ТР 2009/013/BY «Здания и сооружения, строительные материалы и изделия. Безопасность».
В каждом проекте, выполняемом нашим институтом, предложенные технические решения подтверждены соответствующими расчетами и опытом эксплуатации, что гарантирует жильцам нормируемые значения воздухообмена и температуры в квартирах, отсутствие конденсата на внутренних поверхностях ограждающих конструкций.
Инженерные системы
Современный уровень развития инженерных систем позволяет применять различные приборы и устройства, снижающие энергопотребление здания: от использования регуляторов на отопительных приборах до сложных теплоутилизационных установок и грунтовых теплообменников. Основываясь на опыте оценки энергоэффективности проектного решения жилых и общественных зданий, можно утверждать, что сегодня наиболее выгодно применять систему вентиляции с искусственным побуждением, оборудованную теплоутилизационными установками (рекуператорами). Это связано прежде всего с тем, что теплопотери на подогрев приточного воздуха для многоэтажных зданий составляют около 60 %, а в малоэтажных – около 40 %. Применение теплоутилизационных установок в системе вентиляции при их оснащении автоматизированными средствами контроля и регулирования температуры воздуха позволяет снизить удельное потребление тепловой энергии примерно на 25 % в одноэтажных и на 40–50 % в многоэтажных зданиях.
Хочется отметить, что в рамках Программы, отечественные предприятия освоили производство практически всех необходимых для строительства энергоэффективных зданий материалов, а также инженерного оборудования, включая вентиляционные установки с утилизацией теплоты и системы автоматики, что одновременно обеспечивает замещение импортной продукции.
Прочие факторы
Кроме перечисленных, институтом исследованы и другие факторы, влияющие на энерго-потребление зданий: использование альтернативных источников энергии ориентация здания, степень заселенности, затраты энергии на горячее водоснабжение, электроснабжение. Однако обсуждение этого выходит за рамки нашей статьи.
Экономический аспект
Понятно, что дополнительные по сравнению с обычным зданием мероприятия по энергосбережению приведут к повышению стоимости квадратного метра, поэтому выбор варианта ограждающих конструкций и инженерных систем должен быть обоснован экономически. В частности, опыт строительства энергоэффективных зданий показывает, что применение вентиляции с искусственным побуждением и утилизацией теплоты удаляемого воздуха ведет к увеличению сметной стоимости на 6–10 % в зависимости от конструктивной системы здания, что даже при существующих ценах на энергоносители окупается в течение 8–10 лет.
Считаем целесообразным энергетическую эффективность здания оценивать на протяже-нии всего его жизненного цикла: «строительство – эксплуатация – утилизация». С таким подходом становится ясно, что указанное выше подорожание на этапе строительства окупается многократно на стадии эксплуатации. По мере неизбежного роста цен на энергоресурсы сроки окупаемости будут существенно уменьшаться. Но это – тема отдельной статьи.
Итог
В целом, можно сказать, что энергоэффективное здание – это результат тщательной про-работки и обоснованного выбора комплекса оптимальных решений в архитектурной, конструктивной и инженерной части проекта. От того, насколько заказчик, проектировщик и подрядчик внимательно относится к вопросам энергосбережения, настолько дорогим (недорогим) в эксплуатации будет здание.
По многим позициям в области энергосбережения в зданиях Беларусь занимает лидирующие позиции среди стран СНГ: повсеместно реализована автоматизация регулирования температуры теплоносителя в системе отопления, применение систем тепловой изоляции зданий носят массовый характер, активно внедряются альтернативные источники энергии, теплоутилизационные установки систем вентиляции, построен и успешно эксплуатируется ряд энергоэффективных зданий. Вместе с тем общий текущий спад активности проектирования и строительства энергоэффективных зданий свидетельствует о том, что государственная программа строительства энергоэффективного жилья явно «пробуксовывает». На таком фоне особенно контрастным является неподдельный интерес к проектированию жилых зданий с высоким классом энергетической эффективности со стороны России и Казахстана. Представители государственных органов и проектных организаций этих государств активно посещают наш институт, перенимая накопленный в этой области опыт.
При общемировой тенденции снижения энергопотребления зданиями от вопросов энергоэффективности нам все равно не уйти, а вот где мы можем оказаться через несколько лет в общем потоке – вопрос. Даже среди стран СНГ при сегодняшнем течении событий Республика Беларусь рискует из лидеров оказаться в аутсайдерах.
И. А. Терехова – ведущий научный сотрудник отдела энергоэффективных технологий в строительстве Государственного предприятия «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С.С», кандидат технических наук, доцент
Л. Н. Данилевский – первый заместитель директора Государственного предприятия «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С.С», кандидат физико-математических наук
С. В. Терехов – заведующий отделом энергоэффективных технологий в строительстве Государственного предприятия «Институт жилища – НИПТИС им. Атаева С.С», кандидат технических наук