Мировой и российский опыт строительства энергоэффективных зданий

Энергоэффективные здания как новое направление в экспериментальном строительстве появились после мирового энергетического кризиса 1974 года. Они явились ответом на критику специалистов ООН относительно того, 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.

С течением времени изменялся и расширялся объект изучения — эффективность использования энергии в энергоэффективном здании. Если в самом начале строительства энергоэффективных зданий вплоть до начала 90-х основной интерес представляло изучение мероприятий по экономии энергии, то уже в середине 90-х годов центр тяжести переносится на изучение проблемы эффективности использования энергии, и приоритет отдается тем энергосберегающим решениям, которые одновременно способствуют повышению качества микроклимата.
Впрочем, качество микроклимата в этот период уверенно выходит на первый план по сравнению с энергосбережением. В основе концепции проектирования современных зданий лежит идея того, что качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни как дома, так и на рабочем месте или в местах общего пользования, составляющих основу наших городов.

Европейский опыт на примере Хельсинки
Район VIIKKI (Хельсинки, Финляндия) — новый взгляд на энергосбережение и экологию. Район VIIKKI представляет собой экологически чистую территорию сельского типа площадью 1132 га, которая частично использовалась для научных экспериментальных целей Технологическим Университетом Хельсинки. Строительство демонстрационного энергоэффективного района EKOVIIKKI осуществлялось в соответствии с программой Европейского сообщества Thermiе, которая включает в себя 9 различных европейских экспериментальных проектов.
Руководство финским проектом было возложено на Технологический университет г. Хельсинки. К новому экспериментальному жилому району VIIKKI применили новый подход: речь идет не только об экономии энергии, но и об экологическом и социальном аспектах, о долговременности строительства, его влиянии на окружающую среду, то есть о так называемом жизнеподдерживающем строительстве. Целью строительства демонстрационного жилого района VIIKKI являлось выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами.

Энергоснабжение района обеспечивается комбинацией районного тепло- и электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. Система теплоснабжения жилого района VIIKKI включает в себя крупнейшую в Финляндии установку по использованию солнечной энергии. При разработке этого проекта были использованы новейшие концепции использования солнечной энергии и интеграции солнечных систем в здание. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1248 м2.
Эти солнечные нагревательные системы обеспечивают централизованное теплоснабжение и в некоторых случаях производят также обогрев помещений при помощи систем подогрева пола. В жилом районе VIIKKI демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельное использование систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (с размером блока коллектора 10 м2). Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома. Эти коллекторы установлены под углом 47°-60°. Такие углы оптимальны, так как они соответствуют наклону солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии.

При проектировании систем отопления и вентиляции жилых домов были применены следующие технические решения, повышающие их энергетическую эффективность:
— использование тепла обратной воды системы теплоснабжения для напольного отопления;
— утилизация тепла удаляемого воздуха;
— индивидуальная механическая вентиляция с рекуперацией тепла раздельно для каждого жилого помещения;
— повышение эффективности систем естественной вентиляции за счет специальной конструкции дефлекторов;
— вентиляция помещений при помощи предварительного подогрева наружного воздуха, подаваемого через окна или остекленные балконы;
— использование низкотемпературных отопительных систем;
— использование солнечных коллекторов, подключенных к магистралям горячей воды;
— использование счетчиков тепла и индивидуальный контроль температуры в каждой квартире.
В соответствии с повышенными требованиями к теплозащите ограждающие конструкции были выполнены из энергосберегающих материалов с эффективной теплоизоляцией. Наружные стены выполнены из изготовленных в заводских условиях деревянных элементов, слоистая фасадная облицовка — с использованием бумаги, изготовленной из бумажных отходов. Конструкция пола представляет собой комбинацию системы напольного отопления с сохраняющим тепло бетонным основанием.

Энергоэффективное жилое здание в Москве
Целью проекта энергоэффективного здания являлось создание, натурная апробация и последующее внедрение в жилищное строительство города новейших технологий и оборудования, обеспечивающих, как минимум, двукратное снижение энергозатрат на эксплуатацию жилого фонда. В качестве базовой для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 111-355.МО. Эта серия наиболее полно отвечает требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений и по своим энергосберегающим показателям является наиболее перспективной для жилищного строительства.
Проект "Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2" был реализован в 1998-2002 гг. Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве", утвержденной совместным постановлением Правительства Москвы и Миннауки.

Энергоэффективные мероприятия, использованные при проектировании и строительстве многоэтажного жилого дома:
— теплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и утилизацию тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
— система вентиляции с механической вытяжкой и естественным притоком через авторегулируемые воздухозаборные устройства в оконных переплетах, обеспечивающая нормативный воздухообмен при установке герметичных окон;
— утилизация теплоты удаляемого вентиляционного воздуха;
— система отопления двухтрубная горизонтальная поквартирная с теплосчетчиком, установленным на лестничной площадке, с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях;
— наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой. Теплоэнергоснабжение здания в Никулино-2 осуществляется от двух источников:
— тепловые насосы, использующие тепло земли и тепло удаляемого воздуха для горячего водоснабжения;
— внешний источник тепловой и электрической энергии (централизованное теплоснабжение и энергосистема города).

В настоящее время технологии теплоснабжения, использующие тепловые насосы, применяются практически во всех развитых странах мира. Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое применение.
Преимущества технологий, использующих тепловые насосы, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения.
В России в рамках описываемого проекта фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод, однако в данном проекте эта возможность не была реализована.

Опыт, применяемый в Америке
Американский ученый Дэвид Opp (David Orr) (Учебный центр по изучению окружающей среды Adam Joseph Lewis Center, Оберлин, Огайо, США) сформулировал принципы, в соответствии с которыми должно проектироваться и строиться энергоэффективное здание учебного центра:
— строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию технологий, связанных с использованием окружающей среды;
— строительство здания должно способствовать созданию ландшафта, повышающего биологическое разнообразие видов;
— здание не должно производить никаких сточных вод, то есть здание должно и потреблять, и сбрасывать только воду, пригодную для питья;
— здание должно производить больше электрической энергии, чем использовать;
— в здании не должны использоваться никакие канцерогенные, мутагенные или вызывающие эндокринные заболевания материалы;
— энергия и материалы должны использоваться максимально эффективно;
— здание должно использовать материалы и оборудование, произведенные без ущерба для окружающей среды;
— строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию экологической компетентности и внимательности к окружающей среде;
— здание должно стать инструментом обучения;
— здание должно обеспечивать строгий учет стоимости его эксплуатации.

Научный потенциал
В соответствии с этими принципами на территории колледжа города Оберлин (Oberlin) был построен Центр по изучению окружающей среды, здание которого само является предметом изучения. Дэвид Орр сформулировал эту концепцию как "архитектура как педагогика". По идее проектировщиков здание Центра должно быть синтезом архитектуры и окружающей среды и позволять изучать взаимодействие природы и человека. Моделируя фундаментальные биологические и социальные процессы, Центр показывает, как формируется окружающая среда и как на нее влияет человек. Одной из основных концепций здания является возможность производства при помощи солнечных батарей электрической энергии, превышающей потребности самого здания.
Это техническое решение позволяет зданию Центра стать экспортером энергии, но пока эта цель не достигнута. По мере развития новых технологий планируется внедрение новых энергоэффективных инженерных систем здания.
Разработчики проекта надеются к 2020 году сделать климатически нейтральное здание — здание, которое не требует внешних поступлений энергии и воды. В здании был применен ряд инновационных решений, повышающих его энергоэффективность.

Инновационные решения
Это использование тепла земли для отопления и охлаждения здания, утилизация тепла вентиляционных выбросов, использование естественного освещения и другие мероприятия. По оценке проектировщиков, энергопотребление здания Центра должно составить не более 25% от энергопотребления традиционных зданий такой же площади. Особая установка, называемая Living Machine, включающая бактерии, растения, улиток и насекомых, обеспечивает очистку сточных вод, используя биологические процессы.
При этом традиционные методы химической очистки сточных вод не применяются. Здание Центра состоит из двух частей: двухэтажной, в которой расположены классные комнаты и двухэтажный атриум, и соединенной с ней постройкой, в которой расположена аудитория на 100 мест и оранжерея с установкой Living Machine. Помимо учебного процесса, здание используется для конференций, приемов и других подобных мероприятий. На прилегающем участке расположены сады для выращивания сельскохозяйственной продукции, места отдыха и прогулок, а также размещен водоем и болота, позволяющие собирать дождевую воду для использования в целях ирригации. Планируется в дальнейшем использовать часть этой воды для водоснабжения здания.

Энергоэффективные мероприятия
При проектировании и строительстве здания Центра были использованы следующие энергоэффективные мероприятия:
— ориентация здания, позволяющая максимально использовать теплопоступления с солнечной радиацией и естественное освещение;
— использование массивных бетонных перекрытий и внутренних стен для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания;
— выработка электрической энергии в солнечных батареях (фотоэлектрических панелях) для электроснабжения здания с тем условием, что производство электроэнергии перекроет потребление, и здание станет экспортером электроэнергии;
— использование посредством тепловых насосов тепла земли для отопления и охлаждения здания;
— максимальное использование естественного освещения и энергосберегающее искусственное освещение с датчиками наличия людей в помещениях для снижения затрат электрической энергии на освещение;
— покрытие с повышенными теплозащитными свойствами для уменьшения теплопоступлений от солнечной радиации;
— ограждающие конструкции и окна с высоким сопротивлением теплопередаче для уменьшения теплопотерь;
— использование в теплую погоду естественной вентиляции для уменьшения энергопотребления системой механической вентиляции;
— использование тепла или холода удаляемого воздуха для подогрева или охлаждения приточного;
— применение солнцезащитных элементов в конструкции окон для снижения теплопоступлений с солнечной радиацией через светопроемы в летнее время.

Нетрадиционные решения
Для выработки электрической энергии в здании Центра используются солнечные батареи (фотоэлектрические панели). Панели расположены на крыше здания. Для более эффективной работы фотоэлектрических панелей крыша имеет изгиб на южную сторону, что обеспечивает максимальное поступление солнечной радиации и максимальную выработку электрической энергии.
Для отопления или охлаждения помещений Центр Адама Джозефа Льюиса использует 24 геотермальные скважины глубиной 73 м и диаметром 152 мм, расположенные с северной стороны здания. Расстояние между скважинами составляет 4,5 м. В качестве теплоносителя используется вода, циркулирующая в замкнутом цикле. Для передачи теплоты или холода используются тепловые насосы. Помещение атриума обслуживается водо-водяным тепловым насосом. Для подогрева или охлаждения наружного воздуха используются два водо-воздушных тепловых насоса.
Кроме этого, помещения классных комнат, аудиторий, офисов и конференц-зала обслуживаются отдельными водо-воздушными тепловыми насосами (всего 21 насос). Каждый тепловой насос управляется индивидуально, что позволяет в части помещений здания осуществлять отопление, а в части — охлаждение. Такое решение снижает затраты энергии на климатизацию здания и улучшает параметры микроклимата помещений.

В здании Центра применены система воздушного отопления (охлаждения), совмещенного с вентиляцией, система водяного отопления и панельно-лучистое отопление. Для дополнительного обогрева помещений в солнечные дни в зимнее время используется пассивная солнечная энергия. Для максимального использования теплопоступлений с солнечной радиацией здание вытянуто в направлении оси восток-запад, при этом стена, ориентированная на юг, имеет большую площадь остекления.
Для уменьшения нагрева здания в летнее время, когда солнце находится высоко над горизонтом, южная стена затеняется выступающим солнцезащитным козырьком крыши. Наружный и удаляемый вентиляционный воздух пропускается через вентилятор-теплообменник, где более теплый воздушный поток отдает часть теплоты более холодному. В холодное время года наружный воздух подогревается, а в теплое время года охлаждается за счет удаляемого воздуха. В теплообменнике утилизируется до 83% теплоты (холода) удаляемого воздуха. В классах, аудиториях и библиотеке приток свежего воздуха осуществляется при помощи вентиляторов с автоматическим управлением. Уровень вентиляции регулируется в зависимости от наличия людей в помещении и от концентрации углекислого газа (СО2) в здании.

"Умное" здание
Наличие людей определяется датчиками движения. Если помещение не занято, система вентиляции отключена. Если датчики движения показывают наличие людей в помещении, система вентиляции обеспечивает половину требуемого воздухообмена. При превышении допустимого уровня концентрации СО2, равного 800 РРМ, система вентиляции автоматически включается на полную мощность. В теплую погоду, когда внутренняя и наружная температуры примерно одинаковы, окна атриума могут открываться автоматически.
Возникающие конвективные воздушные потоки способствуют быстрому проветриванию помещений. Механическая вентиляция в это время автоматически отключается. Ориентация здания также учитывает влияние господствующих бризов, что позволяет повысить эффективность естественной вентиляции под действием ветрового напора.

Массивные бетонные перекрытия здания и внутренние стены из необлицованной кладки позволяют аккумулировать тепло и повышают теплоустойчивость здания.
С северной стороны здания насыпан земляной вал, обеспечивающий дополнительную теплозащиту, и высажены деревья для защиты от ветра. Для уменьшения теплопотерь и теплопоступлений через остекление двухэтажного атриума применены окна с повышенными теплозащитными и солнцезащитными характеристиками. Окна представляют собой тройные стеклопакеты. В конструкции стеклопакета использованы три вида стекол, характеристики которых позволяют окнам пропускать свет видимого диапазона, но задерживать солнечную радиацию. Воздушные промежутки между стеклами заполнены аргоном. Изобретенная доктором Джоном Тоддом (Dr. John Todd), Living Machines, Inc, установка очистки сточных вод Living Machine — одна из основных инновационных экологических особенностей проекта Центра Адама Джозефа Льюиса. Living Machine — локальная система очистки сточных вод, которая комбинирует обычные технологии очистки сточных вод и процессы очистки естественных экосистем.

Установка Living Machine выполняет три вида обработки сточных вод: удаление органических загрязнений, дезинфекцию и удаление или снижение концентрации в воде веществ типа азота и фосфора, которые могут принести ущерб окружающей среде. Органические загрязнения разлагаются при помощи солнечного света и управляемых органических процессов, в которых используются живые организмы: бактерии, растения, зоопланктон и другие беспозвоночные.
В зависимости от климата установка Living Machine может быть размещена в защищенной оранжерее, под легким укрытием или на открытой площадке. В отличие от традиционных систем очистки, при работе установки не выделяются неприятные запахи, что позволяет поместить ее в непосредственной близости от обитаемых помещений. Обработанные установкой сточные воды возвращаются в здание и повторно используются в качестве непитьевой воды, например, в туалетах.
Основная часть установки размещена в оранжерее, смежной с атриумом и аудиторией на 100 мест. Сточные воды пропускаются через ряд биологических сообществ, населенных различными микроорганизмами, которые помогают понизить уровень органических загрязнений, а также азота и фосфора.

Минимизация затрат
Для минимизации затрат энергии на освещение были использованы следующие мероприятия:
— использование для освещения внутренних помещений отблесков, рефлексов и отраженного света;
— применение энергоэффективных осветительных приборов;
— максимальное использование естественного освещения путем выбора ориентации здания, вытянутой в направлении восток-запад, и использования с южной стороны светопроемов с большой площадью остекления.
Окна во всех помещениях Центра расположены таким образом, чтобы естественный свет мог проникать в помещения по крайней мере с двух сторон. Это позволяет достичь более равномерной освещенности внутренних пространств. В центральной части здания освещение классов и офисов обеспечивается светом из окон с южной стороны, а также из узких окон, расположенных в верхней части здания.
В двух классных комнатах окна, расположенные с восточной стороны, позволяют проникать свету из атриума. Офисные помещения, расположенные на северной стороне здания, освещаются, помимо окон, через стеклянные двери с южной стороны. Для экономии электрической энергии может устанавливаться несколько уровней искусственного освещения. Его полная мощность используется только при необходимости. В качестве искусственного освещения используются люминесцентные светильники, потребляющие, в отличие от ламп накаливания, меньше электрической энергии.

Кроме прямого освещения, направленного на рабочие места, используется свет, отраженный от потолка. Такая схема также создает более равномерную освещенность рабочего пространства. Искусственное освещение включается автоматически: холлы, лестничные клетки, классные комнаты и офисные помещения оснащены датчиками наличия людей и датчиками уровня естественной освещенности, в зависимости от показаний которых используется искусственное освещение.
Холлы на обоих этажах получают естественное освещение из атриума и через большие окна с западной стороны. Дополнительное освещение, как и в классах, обеспечивается узкими окнами в верхней части здания. Поверхности холлов окрашены в матовый белый цвет, способствующий отражению света. Кроме датчиков движения, холлы оборудованы фотодатчиками. При достаточном уровне естественной освещенности искусственное освещение отключается. В здании установлена система автоматического управления инженерным оборудованием, системами безопасности, противопожарными системами и установкой Living Machine. Кроме этого, система управления осуществляет мониторинг энергопотребления здания, а также параметров микроклимата помещений и параметров наружного климата. Создатели здания уверены, что, когда все его системы будут закончены (например, уже после введения здания в эксплуатацию энергоемкий электрический отопительный котел атриума заменен на теплонасосную установку), здание Центра станет не потребителем, а экспортером энергии.

Подготовил по материалам HП "Aвок" департамента ЖКХ и благоустройства Москвы Александр ПАНИЧ